Два истока биофизики

В формировании биофизики можно ясно обнаружить два истока. По мере развития физики в XX столетии и роста интереса к познанию сущности жизни усиливалась тенденция объяснять жизненные явления языком физических законов. Уже в первой половине XVIII в. предпринимались попытки использовать гидродинамические законы течения жидкостей по трубам для объяснения закономерности движения крови по сосудам кровеносной системы (Л. Эйлер). Открытие кристаллического состояния и некоторых аналогий в явлениях роста и размножения кристаллов и живых организмов послужило толчком к построению теорий кристаллического состояния живого вещества. Это направление стало развиваться особенно сильно после того, как было открыто наличие молекулярной упорядоченности в жидких системах, и возникла пользовавшаяся большим успехом идея, что живое вещество является жидким кристаллом. Открытие пьезоэлектрического эффекта – способности кристаллов изменять свой объем при наложении электрического потенциала – привело к попыткам объяснения через это явление сокращения поперечнополосатых мышц (В.К. Рентген). Была даже создана физическая модель мышцы.

Большое значение для развития биофизики сыграли исследования немецкого физика и физиолога Г. Гельмгольца. Он выяснил механизм работы глаза как оптической системы и впервые с математической точностью определил скорость распространения возбуждения по нерву. К середине XIX в. относятся также попытки анализировать некоторые патологические биологические явления – при помощи математических методов (Д. Бернулли, Л. Максвелл).

Вторым истоком биофизики оказалась физиология, в которой наряду с изучением физиологических процессов росло стремление раскрыть внутренние механизмы, лежащие в основе элементарных физиологических функций, опираясь на принципы физики и химии. Это стремление ярко проявлялось на протяжении всей истории физиологии.

Некоторые физиологи успешно вели исследование интимных механизмов физиологических функций, применяя физико‑химические подходы. Так, И.М. Сеченов, изучая процесс дыхания у высших животных и пытаясь выявить количественную сторону этого процесса, был поставлен перед необходимостью оценить растворимость кислорода и углекислоты в плазме крови. Исследуя растворимость этих газов в водных растворах солей, он вывел закон растворимости газов в зависимости от их концентрации, известный под названием правила Сеченова. Этот закон позволил ему количественно описать дыхательный процесс в легких животных.

В середине XIX в. в физиологии растений также ставились вопросы, которые позже стали проблемами биофизики. В 1845 г. Р. Майер обнаружил, что функцией зеленых растений является превращение физической энергии света в энергию химическую, являющуюся основой биоэнергетики. Тем самым была поставлена одна из основных проблем биофизики – выяснение механизма перехода физической энергии в химическую.

В 60‑х годах XIX в. в связи с необходимостью объяснения клеточного тургора внимание физиологов растений было привлечено к явлению осмоса. В 1870 г. для определения осмотического давления в живых клетках растений Г. де Фриз разработал широко известный осмометрический метод. Стали формироваться представления о роли оболочки клетки как осмотической мембраны в регуляции водного баланса клеток. Вырисовывалась широкая проблема выявления механизмов проницаемости клеточных оболочек для различных веществ. Биофизический характер носили классические исследования К.А. Тимирязева, в которых была установлена связь между поглощением света в различных участках спектра и интенсивностью фотосинтеза.

Все подобные работы, относившиеся к компетенции физики и физиологии, сыграли большую роль в формировании на грани XIX и XX вв. уже двух чисто биофизических направлений – в рамках физико‑математических и биологических наук. Оба они развивались в дальнейшем своими, специфическими путями.