Історія розвитку біофізики як науки
Вступ
«Біофізика характерна лише їй притаманним фізичним підходом до вивчення широкого кола життєвих явищ...»
Г. М. Франк
Біологічна фізика – це наука, що вивчає фізичні і фізико-хімічні закономірності в життєдіяльності рослинних і тваринних організмів,системну організацію процесів життедіяльності на усіх рівнях організації живого (клітина, тканина, органи, організми, біосфера), а також механізм дії фізичних факторів на організми. Теоретична будова і моделі біофізики засновані на фізичних поняттях енергії, сили, типів взаємодії, на загальних поняттях фізичної кінетики, термодинаміки. Ці поняття відображають природу основних взаємодій і законів руху тіл, що, як відомо, складає предмет фундаментальної природничої науки – фізики. В центрі уваги біофізики лежать біологічні процеси і явища. Біофізика вивчає фізичну основу процесів, які відбуваються у біологічних системах.
Біологічною системою є
сукупність живих організмів, окремий
живий організм і будь-яка його
частина, наприклад, орган, тканина, сукупність
клітин, окрема клітина, частина клітини,
метаболіти, ферменти, рецептори, які
взаємодіють і
- Історія розвитку біофізики.
А) Перші згадки про науку.
Народження біофізики,
як і будь-якої науки, навіть
приблизно встановити не
Якщо за біофізику умовно прийняти науку, вирішальну біологічні задачі з позицій математики і фізики, то вона, мабуть, народилася в XII-XIII столітті і їй 800 років. У 1202 році Леонардо з Пізи, більше відомий на прізвисько Фібоначчі (що означає син Боначчі), опублікував книгу "Трактат про рахунок". У ній, поряд з усіма арифметичними і алгебраїчними відомостями того часу, містилася перша біологічна задача, вирішена за допомогою математики: скільки кроликів народжується в один рік від однієї пари?
"Природа кроликів така, - пише Фібоначчі. - Що через місяць пара кроликів проводить на світ іншу пару, а роблять потомство кролики з другого місяця після свого народження". Таким чином він отримав ряд (1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377). Два перших числа відповідають початку розмноження, 12 наступних - помісячного приросту поголів'я кроликів. Кожен наступний член цього ряду дорівнює сумі двох попередніх. Цей ряд і увійшов в історію як ряд Фібоначчі. Послідовність цих чисел володіє багатьма цікавими властивостями, але розповідь про них вимагає спеціальної доповіді. Важливо інше - це була перша дійшла до нас нетривіальна математична модель біологічного процесу.
У 1628 р. на основі кількісних вимірів і аналогій з гідравліки інший вчений, Вільям Гарвей (1578-1657) пояснив механізм кровообігу. В цей же час, Рене Декарт (1596-1650) ввів уявлення про організм, наділеному свідомістю, як фізичному механізмі з рефлекторною дугою. Це було перше згадування про зворотний зв'язок, настільки істотне для розвитку всіх розділів біології. Ще одна суттєва робота з цього ряду належала італійцеві Джованні Бореллі (1608-1679) - учневі Галілея, одному з великих учених XVII століття. Його книга "Про рух тварин" в двох томах була оприлюднена вже після смерті. У першому томі описувалося будова і форма різних м'язів людини і тварин. У другому - на основі механічних аналогій і геометричних побудов розглядалися скорочення м'язів, рух серця, циркуляція крові, травлення. Це був перший капітальний працю з біомеханіки.
Історичний список учених Західної Європи, які виступали в ролі "акушерів" при зароджені нової науки, - довгий - і його можна продовжувати.
У Росії на початку XVIII століття, також відбувалися різні дослідження. Потрібно назвати німця Готфріда Лейбніца (1646-1716) і швейцарців Данила Бернуллі (1700-1782) і Леонардо Ейлера (1707-1783). Першого, тому що він накидав для Петра I ескіз організації Академії в Росії і вказав на необхідність запрошення вчених з Європи. Як відомо, з 1725 по 1733 рр.. склад Академії був виключно іноземним. Лише з 1742 р. серед 49 членів з'явилися троє росіян, у тому числі і М.В. Ломоносов (1711-1765), якого також можна зарахувати в біофізики. Їм в загальній формі був сформульований закон збереження маси і руху і висунута в 1756 році одна з перших гіпотез кольорового зору. З цього зазвичай починаються всі введення в підручниках біофізики.
Потрібно також відзначити менш відому роль Данила Бернуллі, який писав Ейлера: "Я бажав би, щоб в Петербурзі були медики, які знають початок математики, особливо ж - механіку і гідравліку". Якщо бути коротким, то Бернуллі ще на початку XVIII століття були необхідні біофізики. Цікаво, що Д. Бернуллі і Л. Ейлера вважають математиками, іноді фізиками, але ніяк не біофізики. Тим не менш необхідно нагадати, що і Л. Ейлер і Д. Бернуллі спочатку були призначені професорами фізіології в Петербурзі, а вже потім перейшли на кафедри фізики, і математики. Вони, як і найвеличніший біофізик XIX сторіччя Герман Гельмгольц, проробили схожу еволюцію, але значно раніше: від наук про живе до фізики та математики.
Владимирова з співавторами та ін) і перекладних підручників з біофізики. Можна відзначити лише найбільш великі імена вчених і наукових організаторів, що зробили помітний вплив на розвиток російської та світової біофізики: І.М. Сєченов, А.Ф. Веріго, А.Ф. Самойлов, Н.Є. Введенський, К.А. Тімірязєв, А.А. Ухтомський, І.П. Павлов, Ю.В. Чаговець, В.Н. Вернадський, Н.К. Кольцов, С.Ю. Штейн, П.П. Лазарєв, Н.А. Бернштейн, А.Н. Теренін, Е.С. Бауер, Н.А. Білозерський, Б.Н. Тарусі, Н.В. Тимофєєв-Ресовський, Б.П. Бєлоусов, Г.М. Франк, В.А. Енгельгардт, І.А. Терсков, А.А. Красновський, А.Л. Чижевський, Б.Н. Вепрінцев, Н.М. Емануель, А.А. Баєв, Ю.А. Овчинников, М.В. Волькенштейн, А.М. Кузін і багато інших. Всіх перелічити неможливо. Не всі вони себе вважали біофізики, але по суті всі вони займалися біофізичними проблемами. Нині живих я навмисне не називаю. З іноземних обов'язково потрібно згадати Г. Гельмгольца, Ж. Леба, Ю.Р. Майєра і М. Рубнера.
Б) Винекнення терміну біофізика.
Даних про виникнення терміну
«біофізика», немає повної. Коли ми
намагаємося проникнути вглиб історії
будь-якої науки, то не бачимо нічого, крім
випадковостей. Вони можуть виглядати,
як витоки явища, але виявитися лише
епізодами в процесі
Достовірно відомо, що до XIX століття терміна "біофізика" не існувало. Існування біофізики без імені, тривало понад 600 років, проте існувала під псевдонімом "етіологія" (від грецького aitia - причина, вчення про причини), що йде ще від древніх греків. У зв'язку з народженням терміну "біофізика", слід згадати два імені: Карл Пірсон (1857-1936) і Жак Арсен д'Арсонваля (1851-1940). Перший був англійським математиком і біологом. З 1884 р. він - професор математики і механіки Лондонського університету, а потім з 1911 р. - глава лабораторії євгеніки. Він добре відомий як творець біометрії, основи якої заклав Ф. Гальтон. "Криві Пірсона" увійшли в усі довідники з математики та енциклопедії. Але не меншу популярність йому принесла опублікована ним у 1892 р. філософська книга "Граматика науки", яка була перекладена на багато мов, у тому числі верб 1911 р. на російську.
В ній він писав: "Ми не можемо з повною впевненістю стверджувати, що життя є механізм до тих пір, поки ми не в змозі вказати більш точно, що саме розуміємо ми під терміном" механізм "у застосуванні до органічних тельцям. Вже тепер представляється майже безсумнівним, що деякі узагальнення фізики - особливо великий принцип збереження енергії - описують, принаймні, частина нашого чуттєвого досвіду щодо життєвих форм. Потрібна, отже, галузь науки, що має своїм завданням додаток законів неорганічних явищ, або фізики до розвитку органічних форм. Така наука, що намагається показати, що факти біології - морфології, ембріології і фізіології - утворюють окремі випадки додатка загальних фізичних законів, отримала назву етіології. Бути може, краще було б назвати її біофізикою. В даний час біофізика ще не зробила особливо великих успіхів, але немає нічого неймовірного в тому, що їй належить велике майбутнє ".
Це був заклик до всіх фізикам і математикам, які цікавляться біологічними проблемами, і до біологам, не чужим математики і фізики, об'єднатися під прапором цього терміна.
Другим був французький фізіолог і фізик. Головний його науковий інтерес знаходився в області вивчення впливу змінних струмів на біологічні об'єкти. У медицині добре відомий термін "дарсонвалізація" - лікування імпульсним струмом високої частоти (110-400 кГц і вище), високої напруги (десятки тисяч Вольт) і малої сили струму (100-200 мА). Дарсонваля запропонував і обгрунтував цей метод в 1891 р. У 1882 р. (ще за 10 років до виходу у світ книги Пірсона) в Колеж де Франс він організував кафедру, яку назвав "кафедрою біофізики". Головною її темою і було дослідження впливу змінних струмів на біооб'єкти.
Таким чином, вже більше 100 років ця область науки носить назву "біофізика". Однак з визначенням (що таке біофізика?) були проблеми. Але спочатку - про рубрикації наук.
В) Розвиток біофізики,як науки.
На одному полі біології
з різних сторін одночасно формувалися
дві науки - біохімія і біофізика.
Це потім вже відбулося
"Біофізика не має
властивого тільки їй об'єкта
або предмета дослідження, як
наприклад, мікробіологія (
Важливо підкреслити і
роль особистості наукового
Крім того, в процесах дроблення, що йдуть в самій науці, аналіз превалює над синтезом. Коли область науки формується, - її створюють широко освічені дилетанти з інших областей, а коли вона дробиться, то її дроблять і знищують професіонали, які знають все про небагато. Цей процес характерний для всіх наук, особливо в XX столітті.
У певний час Французька Академія визначила свою діяльність, сформулювавши її через обмеження. Вона буде розглядати будь-які факти, крім "каменів, що падають з неба, і вічного двигуна". У першому вона помилилася, метеорити виявилися не міфом, а реальністю. Визначення довелося переглянути.
У 1961 році був створений
Міжнародний союз чистої та прикладної
біофізики (IUPAB), і почалася ера періодичних
Міжнародних біофізичних
виконані радянський біофізик вносять вклад у підвищення економічного потенціалу країни по реалізації рішень XXVI з'їзду КПРС і травневого (1982р.) Пленуму ЦК КПРС.
У той час, біофізику курирував Я.І. Ажіпа - інструктор ЦК КПРС, який до гумору ставився вороже, своїм місцем дорожив і "фривольності" не дозволяв. Можна дати визначення біофізики, коротке і образне: "Усяке пізнання починається з інтуїції і почуттів, а політ фантазії обмежується експериментом" (це не моя думка, а Леонардо да Вінчі). Тепер - моя: Складіть кілька сотень таких дослідників, знайомих з біологією, фізикою, математикою і технікою, і ви отримаєте образ науки, яка займається "заплутаними і погано поки сформульованими проблемами біології. Це і є біофізика.
- Найвідоміші вчені біофізики.
Найвідомішими російськими вченими біофізики є: Петро Петрович Лазарєв (1878-1942) і Гліб Михайлович Франко (1904-1976).
Восени 1977 розсерджений академік В.В. Шулейкин прийшов до А.А. Баєв, тоді академіку-секретарю нашого Відділення, з претензіями, що наближається 100-річний ювілей П.П. Лазарєва, а Відділення, яке має у назві та слово "біофізика", не виявляє до нього нікого інтересу. Чому В.В. Шулейкйн проявив активність у зв'язку з ювілеєм П.П. Лазарєва? В.В. Шулейкйн був співробітником першого біофізичного інституту, створеного П.П. Лазарєвим. За ініціативою В.В. Шулейкина і за підтримки П.П. Лазарєва при цьому Інституті була заснована в Кацівеллі (на Південному березі тепер уже не російського Криму) морська станція, якою керував В.В. Шулейкйн, де він зробив ряд робіт з фізики і біофізики моря. Були отримані відповіді на багато питань, які мали в тому числі й істотне значення для створення нових зразків військово-морської техніки, наприклад, надшвидкісних сторожових катерів на підводних крилах. Перелік цих питань був великий: чому деякі риби, наприклад, дельфіни, можуть розвивати велику швидкість при низьких енергетичних витратах; як здійснюється рух летючих риб; чому рух зграй птахів або косяків риб вигідніше, ніж рух одиночної особини; як і чому морські тварини відчувають задовго до початку шторму його наближення і йдуть на глибину, щоб не розбитися об прибережні камені і т.п.? У збірнику, присвяченому 135-річчю Московського товариства випробувачів природи під назвою "Збірник статей з історії біофізики СРСР. М. ТПРМ, 1940.", П.П. Лазарєв всіляко рекламував роботи тоді ще порівняно молодого Шулейкина (1895-1979), і присвятив їм декілька сторінок. Природно В.В. Шулейкин як вдячний учень узяв на себе клопоти з організацією ювілею П.П. Лазарєва. А.А. Баєв від біофізиків нашого Відділення доручив мені підготовку цього ювілею і доповіді на тему "Роль П.П. Лазарева в становленні у вітчизняній біофізики". Що мені вдалося з'ясувати в процесі підготовки цієї доповіді, читання праць П.П. Лазарєва, спілкування з В.В. Шулейкина і особливо з професором Я.Л. Шехтману, який довгі роки працював з П.П. Лазарєвим, а потім працював у нашому інституті в Пущино.
П.П. Лазарєв був обраний академіком в 1917 р. Показово, що у зв'язку з його різнобічної діяльністю рекомендацію в академіки йому давали фізіолог І.П. Павлов, математик і механік А.Н. Крилов, математик В.В. Стеклов, мінеролог і геохімік В.І. Вернадський і хімік Н.С. Курнаков. На першому місці його наукових заслуг стояла розробка "іонної теорії збудження" (1910). Проте вся ця теорія виявилася невірною і представляє лише історичний інтерес. Тоді ще не було належного розуміння сигнальних речовин і не усвідомлювалося, що малі причини в нелінійних гетерогенних системах можуть приводити до великих наслідків, і головне тут не величини концентрацій, а наявність рецепторів-мішеней з великими коефіцієнтами посилення ефектів. До речі, один з учнів Лазарева, згодом великий фізик і президент Академії наук, С.І. Вавілов показав, що в умовах темнової адаптації наше око може зареєструвати один фотон (фантастична чутливість!). Друге, що відзначалося як досягнення Лазарєва, - це його дослідження в області фотохімії. Тривала його дискусія з К.А. Тімірязєвим, іноді дуже різка з боку останнього, на тему - що важливіше для біофотоеффектов - яскравість джерела світла (число фотонів n), на чому наполягав Лазарєв, або колір джерела (частота випромінювань v), що стверджував Тімірязєв, була досить безглуздою. Суперечка розв'язалася в 1905 р. А. Ейнштейном на користь обох дослідників, коли він записав рівняння фотоефекту і перемножити ці дві величини nhv (де h-постійна Планка). Ще в 1887 р. Генріх Герц, помітив, що проскакування іскри між цинковими кульками розрядника значно полегшується, якщо один з них висвітлити ультрафіолетом. Рік потому А.Г. Столєтова був сформульований закон: швидкість фотоелектронів, що вибиваються світлом, зростає зі збільшенням частоти падаючого світла, а число фотоелектронів пропорційна його інтенсивності. Так що даремно вони "ламали списи". Таким чином і в цю область внесок П.П. Лазарєва вельми скромний.
Картографування під керівництвом П.П. Лазарєва Курської магнітної аномалії (1918), якому згодом було відведено особливе місце як великому досягненню геофізичної науки в період становлення Радянської влади, з моєї точки зору, - чисто технічна робота. Проведення її було вимушеним і заснованим на ізоляції Росії від решти світу в результаті Великої Жовтневої соціалістичної революції або, як тепер частіше її називають "більшовицького перевороту 1917р.". До революції робота на магнітно-аномальної території Курської та Орловської губерній вже була проведена під керівництвом професора Московського університету Е.Є. Лейста. Документація виявилась у Німеччині (де Лейст в 1918 р. помер), і за неї запросили гігантську на ті часи суму (5 млн. золотих рублів). Лазарєв взявся повторити цю роботу. Так, що він був не першим, хоча при виконанні цієї роботи проявився його неабиякий організаторський талант. Крім того ця робота не має відношення до біофізики. Тим не менше є дві біофізичні роботи, виконані під керівництвом П.П. Лазарєва, які видаються мені цікавими. Вони мали і матимуть продовження. Перша стосується вивчення адаптації органів чуття, зокрема, очі. П.П. Лазарєв і його учні відзначили в експериментах неоднакову чутливість органів чуття, залежну від віку, в різний час. Показано вікове зміна чутливості ока людини в умовах темнової адаптації. Але головне вони виявили закономірні стохастичні флуктуації. П.П. Лазарєв витратив, як видно з опублікованих робіт, не одне десятиліття для того, щоб встановити, що спостережувані флуктуації не є наслідком помилок. Усереднюючи швидкі флуктуації, він виявив відносно повільні коливання. Він був першим, хто встановив правильну добову періодичність релаксаційного характеру рецепторної системи людини (циркадні ритми). Крім того, була виявлена періодичність з характерними часами порядку місяців, сезонів і років. Ця робота цитується і на неї звернено особливу увагу в зв'язку з проблемою старіння і "біологічного годинника", з впливом на точність їх ходу як внутрішніх генетичних, так і зовнішніх фізичних факторів.
Друга робота з продовженням була пов'язана з мімікрією - захисним забарвленням у тварин. Сам Лазарєв писав про неї в 1940 році досить скупо: "Практично мімікрія дуже важлива у військовій справі, і Інститут фізики і біофізики дав не тільки розвинену теорію світломаскування у військовій справі (1918-1923), але і показав на реальних прикладах дійсність своїх теорій" . П.П. Лазарєв і його співробітник В.А. Гамбурцев зняли спектри відбиття хлорофілу зелених листя і пігментів, що забезпечують домінантне забарвлення у зелених тварин (папуг, жаб, комах), і показали, що хоча пігменти і хлорофіл відрізняються за своїми хімічними властивостями, але їх спектри у видимій області тотожні, тому об'єкти невидимі. Все дуже просто. Ці результати були опубліковані. Але далі робився ще один логічний крок, якщо одночасно картину відображення об'єкта і фону отримати, наприклад, в трьох довжинах хвиль, то там, де ці спектри не перекриваються, об'єкт на тлі легко буде виявлятися. Чим далі рознесені реєстровані хвилі відображення по їх довжині, тим менш імовірна маскування, при сильному рознесенні довжин хвиль наступає така ситуація, що будь-який об'єкт буде виявлений.
Цікава і неопублікована історія створення в 1919 р. першого в Радянській Росії Інституту біологічної фізики при Наркоматі охорони здоров'я. Мені її розповів Я.Л. Шехтман. Наркомом медицини в той період був Микола Олександрович Семашко. Але вказівка Наркомові - "створити цей Інститут" - було дано В.І. Леніним. Оскільки, 30 серпня 1918р. "Вождь світового пролетаріату" був поранений есерком Фаїною Каплан. Стріляла чи саме підсліпувата Каплан в вождя більшовиків, і навіщо есерам, які разом з кадетами в той період були найбільшою партією, потрібен був цей терористичний акт, - залишається досі загадкою. Проте факт поранення Леніна був. Лікарям потрібний рентгенівський знімок. Необхідно було з'ясувати локалізацію, обсяг і характер анатомічного ушкодження.
Я. Л. Шехтмана, коли він був уже на пенсії, часто запрошували в школи м. Пущино розповісти, як він зустрічався з "вождем". Про що П.П. Лазарєв говорив з В.І. Леніним, поки сохла плівка зі знімком, Я.Л. Шехтман не чув, але П.П. Лазарєв візитом "головного більшовика" залишився задоволений.
1918 р. в Петрограді, незважаючи на голод і розруху в Росії, був відкритий перший у світі рентгенорадіологічний інститут, а трохи згодом, у 1919 р. в Москві був створений перший в світі Інститут біологічної фізики. Так, що Радянський період розвитку біофізики в Росії починається не з залпу "Аврори", а з пострілу Каплан.
Г.М. Франке. Він не менш гідний докладної розповіді, ніж П.П. Лазарєв, але це вже "новітня історія біофізики».
Г.М. Франк також зробив багато в організаційному плані: сформував Інститут біофізики МОЗ СРСР у 1948 р., оновлений Інститут біологічної фізики АН СРСР у 1956 р. і в значній мірі весь кущ інститутів Пущинського наукового центру. У цей і подальші періоди на закладеній ним основі були отримані багато фундаментальні результати, що знайшли подальше практичне застосування, створені газотранспортні кровозамінники, особливі ранові покриття, серія препаратів на основі бурштинової кислоти і багато іншого, а відкриття автохвиль і вивчення механізмів коливальних реакцій можна вважати найбільшим досягненням світової науки. Тепер світова оцінка цих робіт. Професор Крістіан Відаль (Франція): "Відкриття автоколивальних реакцій, а потім автохвиль являє собою важливий внесок у розвиток науки. Ця думка підтверджується численними роботами з цієї проблеми, які проводилися і проводяться в самих різних областях науки - спочатку в біохімії, потім в біології і фізиці. Завдяки цьому відкриттю, знання в галузі еволюції біологічних систем стали тепер глибокими ". Нобелівський лауреат професор Ілля Пригожин (Бельгія): "Робота по автоколивальних реакцій придбала всесвітнє визнання ... Внесла величезний внесок у зміцнення авторитету радянської науки". Професор Артур Вінфрі (США, 1991): "Ці дослідження сильно вплинули на мою власну роботу, на роботу вчених моєї країни і Європи ..." і т.д.
Висновок
Біофізику прийнято вважати молодою наукою через її швидкий розвиток. Проте як було зазначено корені цієї науки ідуть в далеке минуле.
Сучасна біофізика озброєна
цілим арсеналом біофізичних
методів, спеціально пристосованих
для вирішення біологічних
Сучасна біофізика – одна
із фундаментальних біологічних
дисциплін, і її знання дає змогу
краще орієнтуватися у
Таким чином, біофізика, хоч молода наука, про те разом із іншими дисциплінами приймає участь в розшифруванні питань фізико-хімічних механізмів передачі спадкової інформації і вивчає механізми, що розподіляють стійкість виду і його зміни.
План
Вступ.
- Історія розвитку біофізики :
А) Перші згадки про науку;
Б) Винекнення терміну біофізика;
В) Розвиток біофізики як науки ;
2) Найвідоміші вчені біофізики.
Висновок
Список використаних джерел
Список використаних джерел
1. Рубин А.Б.Учебник «Теоретическаябиофизика» КДУ, 2-е издание, 1999
2.Біофізика і біомеханіка [Текст]: підручник. / В.С. Антонюк, М.О. Бондаренко,
В.А. Ващенко, Г.В. Канашевич, Г.С. Тимчик, І.В. Яценко. – Київ: Політехніка,
2012. – 344 с.
3. Біофізика [Текст] : підруч. для студ. біолог., мед. та фіз. фак. вищих навч. закл. / П. Г. Костюк, В. Л. Зима, І. С. Магура та ін.; Б-ка Держ. фонду фундамент. досл. . – К. : Обереги, 2001. – 544 с.
4.Чуйко, О.В.Програма інтегрованого курсу "Фізика живої природи (біофізика)" [Текст] / О.В. Чуйко, В.А. Терещенко // Фізика в школах України . – Харків , 2004 . – №10 . – С.2-8
- Історія розвитку ботаніки
- Історія розвитку бухгалтерського обліку в Україні
- Історія розвитку важкої атлетики та пауєрліфтингу в Україні
- Історія розвитку виставковіх комунікацій
- Історія розвитку відносин України з НАТО
- Історія розвитку вікової фізіології
- Історія розвитку ВПЗ
- Історія розвитку алгебри і математичної логіки
- Історія розвитку анатомії як науки. Розвиток анатомії на території України
- Історія розвитку астрономії
- Історія розвитку астрономії. Методи та засоби астрономічних досліджень
- Історія розвитку аудиту в Росії
- Історія розвитку банків
- Історія розвитку безпеки життєдіяльності
