ЧТО ТАКОЕ БИОФИЗИКА

     СОВРЕМЕННАЯ биология - это комплекс наук, изучающих живую природу, ее возникновение и развитие, явления и закономерности, проявляющиеся в ней. В этом комплексе есть и смежные научные дисциплины. К их числу относится сравнительно молодая наука - биологическая физика.
     Биофизика исследует закономерности физических явлений, протекающих в животных и растительных организмах, а также механизм воздействия физических факторов внешней среды на живую материю.
     Биофизика развилась на основе применения физических методов и понятий к изучению процессов жизнедеятельности, подобно тому, как биохимия возникла на основе применения химических знаний и методов к изучению биологических процессов. Выделившись в самостоятельную отрасль знания, эта наука развивается в русле павловской физиологии, являясь одной из ее ветвей.
     Выделение биофизики в самостоятельную науку вызвано прежде всего успехами и запросами медицины, развитием советской промышленности и техники. Создание все более совершенных машин связано с использованием сверхвысоких скоростей, давлений, температур, частот и напряжений. На управляющих этой техникой людей воздействуют небывалые ранее физические процессы ультразвуки, различные излучения, ионизация воздуха, мощные электромагнитные колебания. Необходимость всестороннего изучения влияния этих физических факторов на живую материю, на организм человека очевидна.
     Для подтверждения этого достаточно привести такие примеры. Обычный воздух, которым мы дышим, содержит небольшой процент атмосферных ионов - положительных и отрицательных. Отношение между количеством положительных и отрицательных ионов более или менее постоянно. Отношение между ионами разных знаков имеет большое значение. Но это становится заметно в том случае, если оно резко изменится. Всем известно, что дышать в непроветриваемых помещениях тяжело. Это происходит оттого, что в составе воздуха преобладают положительные ионы и недостает отрицательных. Наоборот, на берегу моря в яркий солнечный день дышится легко и свободно. Здесь под действием ультрафиолетовых лучей солнца создается избыток отрицательных ионов. Из этого следует, что ионный состав воздуха небезразличен для человека.
     На фабриках, заводах, новостройках, в производственных и научных лабораториях имеется сейчас множество аппаратов, в сильной степени изменяющих ионный состав воздуха. Такими приборами являются, например, электросварочные машины, рентгеновские и высоковольтные распределительные установки, лампы ультрафиолетового света, бактерицидные лампы и многое другое. Одни из них служат источниками преимущественно положительных ионов (например, рентгеновские установки), оказывающих в некоторых случаях неблагоприятное действие, другие - отрицательных (например, электросварочные машины, бактерицидные лампы), действующих на живой организм благоприятно.
     В последнее время усилия советских ученых и инженеров в деле мирного использования внутриатомной энергии ознаменовались крупным успехом. В июне 1954 года в СССР пущена первая в мире промышленная электростанция на атомной энергии. Применение атомной энергии в мирных целях выдвигает ряд вопросов, связанных с воздействием новых видов лучистой энергии на живые организмы. Подобно тому, как в свое время открытие рентгеновских лучей произвело переворот и в изучении организма, и в методах лечения ряда заболеваний, ныне возможность использовать в биологическом эксперименте лучистую энергию новых источников открывает большое поле деятельности для биофизических исследований.
     Интересные перспективы сознательного воздействия на течение жизненных процессов открывает чувствительность организма к радиоактивным излучениям, возможность избирательной концентрации этих излучений в разных областях организма путем использования различных соединений радио изотопа. Воздействие это, можно использовать и для нарушения процессов обмена веществ у микроорганизмов и для изменения сроков развития растений и для многих других целей.
     Таким образом, проблема изучения действия на человека новых физических агентов, то есть чисто биофизическая задача, имеет большое значение в деле охраны здоровья трудящихся и в деле управления жизненными процессами.
     Важная роль принадлежит биофизике в изучении закономерностей живого вещества. Используя различные физические способы исследования, она должна раскрыть значение для жизненных процессов электрических зарядов, возникающих в живом веществе, закономерности происходящих в нем взаимных переходов различных видов энергии и другие физические явления, связанные с обменом веществ живого тела.
     Одним из сложнейших в биологии является вопрос о раздражимости живой ткани. Раздражимость, возбудимость, составляя неотъемлемое свойство живой материи, по мере ее развития усложняется и проявляется у высших организмов в форме мышечного и нервного возбуждения.
     И. П. Павлов подчеркивал важность познания этих процессов для всей биологии и для понимания основ действия нервной системы. Он вместе с тем указывал, что «настоящую теорию всех нервных явлений даст нам только изучение физико-химического процесса, происходящего в нервной ткани.»
     И здесь одним из возможных путей является изучение электрических процессов, развивающихся в нервной системе и в коре головного мозга во время ее деятельности. Открытия физики внесли много нового в понимание этого вопроса. Остановимся на нем подробнее.
     Все раздражения окружающей нас внешней среды, как бы разнообразны они ни были, трансформируются в единый нервный процесс - нервные импульсы. К коре головного мозга человека, которая состоит примерно из 10 миллиардов нервных клеток, от всех органов чувств, от мышц и внутренних органов направляются сотни миллионов нервных волокон. По этим бесчисленным волокнам в обе стороны текут нервные импульсы. Таким образом, кора головного мозга занята непрерывным преобразованием нервных импульсов, поступающих от органов чувств в импульсы управления.
     Неисчислимое количество нервных импульсов поступает в кору головного мозга по одному только зрительному нерву.
     Глазная сетчатка, воспринимающая зрительную картину мира, состоит из многих десятков миллионов светочувствительных элементов - палочек и колбочек, поэтому зрительная картина мира разлагается глазом на огромное количество точек. Сетчатка глаза соединяется со зрительными центрами коры головного мезга зрительным нервом состоящим примерно из миллиона нервных волоконец, причем каждое волокно функционирует совершенно независимо от другого. Изменение оптической картины мира перед глазами человека приводит к изменению состояния светочувствительных элементов сетчатки, которые, в свою очередь, вызывают десятки миллионов нервных импульсов в зрительном нерве.
     Нервные импульсы, в свою очередь, сопровождаются электрическими токами, или токами действия, как называют их физиологи. Эти токи могут быть обнаружены и зарегистрированы далеко от места своего возникновения. Они являются сигналами из глубины организма, которые помогают нам судить о состоянии органов, недоступных непосредственному наблюдению. Широко известна, например, электрокардиограмма (регистрация электрических процессов сердца), которая имеет не только теоретическое, но, и большое практическое значение любой опытный врач, читая ее, может составить себе более или менее полное представление о процессах, происходящих в сердце.
     Наблюдение картины электрической активности возбудимых образований, то есть наблюдение чисто физического процесса, представляет большую ценность, помогая глубже проникнуть в тайны внутренней жизни организма.
     Кора головного мозга непрерывно, днем и ночью генерирует (возбуждает) электрические волны, которые в известной степени отображают его функциональное состояние. Если мозг человека здоров, волны имеют примерно от 8 до 13 колебаний в секунду с наложенным на них более частым ритмом (около 25 в секунду). Болезненное состояние коры головного мозга влечет за собой и изменения частоты колебаний. Эпилептический припадок сопровождается медленными, имеющими характерную форму волнами. В коре мозга происходят, как бы «электрические бури», при этом волны достигают огромной величины и в десятки раз превосходят обычную амплитуду своих колебаний. По мере прекращения болезненного состояния «электрическая буря» успокаивается, амплитуда воли уменьшается, частоты их приходят к норме. В тех случаях, когда заболеванием поражен, какой-либо отдельный участок мозга, картина, которую дает нам электроэнцефалограмма этого участка, значительно отличается от наблюдаемой на здоровых участках. Иногда можно видеть, как болезненный фокус передвигается по коре головного мозга.
     Очень важной является еще одна особенность электрических процессов, происходящих в нервной системе. Это их количественная определенность и строгие математические законы возникновения и протекания. Особенность эта позволяет применить к их изучению математику и современную измерительную технику. Если зарегистрировать ток действия нерва лягушки на катодном осциллографе, то физик сразу заметит, что он весьма похож на явление разряда накопившейся энергии. И это действительно так. Что же касается закономерностей его возникновения и протекания, то они аналогичны закономерностям физических нелинейных реляксационных систем. Здесь широкое поле деятельности для биофизиков, ставящих перед собой задачу переложить описание этих явлений на язык теории нелинейных колебаний.
     Удалось доказать, что всякая возбудимая система производит при своем возбуждении электрическую энергию. Выяснилось, что верно и обратное положение если возбудимую систему подвергнуть действию электрической энергии, то система эта придет в состояние возбуждения. Таким образом, стало возможным активно вмешиваться в течение различных процессов нервной системы, вызывать их, увеличивать или уменьшать их интенсивность, заставлять взаимодействовать с другими процессами. Электрическим током можно легко возбудить к деятельности и нервы, и мышцы и даже кору головного мозга.
     Воздействуя токами на определенные зоны коры, можно вызвать у человека ощущения света, звука, тепла, холода. Можно вызвать те движения, которые он делает обычно произвольно. При помощи электрического тока можно усыпить живой организм и вновь его разбудить, можно способствовать лечению некоторых душевных заболеваний и т. п. А электрические поля низкой частоты порядка 50 герц возбуждают нервы и мышцы на расстоянии. Возможности исследований в этой области поистине необозримы!
     Электрические явления в живых тканях вообще чрезвычайно распространены в природе. «Электрические» рыбы, например, имеют специальные органы нападения и защиты. «Живые батареи» этих рыб вырабатывают электроток напряжением до 1 тысячи вольт, который используется для оглушения добычи. Доказано также, что рыбы пользуются своеобразной электролокацией, ориентируясь в мутной воде посредством отраженных электрических импульсов.
     Примеры, приведенные нами, показывают, что чисто физический агент - электрический ток - тесно связан с процессом возбуждения. Однако процесс возбуждения сопровождается возникновением не только электричества, но, и движения, тепла, света. Изучение физических процессов, возникающих при жизнедеятельности живых существ, требует от физиолога применения физических методик, знания физики и математики. Но изучение физических процессов не является в данном случае самоцелью, ибо основной задачей физиолога является изучение закономерностей процесса возбуждения. И в этом смысле правильная постановка опыта требует слияния элементов физики и биологии в новом единстве - в биофизике.
     Новая отрасль науки, как и вся физиология в целом, изучая процессы возбуждения и вскрывая их законы, позволит управлять этими процессами, установить за ними научный контроль.
     Круг вопросов, волнующих биофизика, не ограничен, разумеется, упомянутым в этой краткой статье, он неизмеримо шире. Чтобы показать это, достаточно назвать хотя бы некоторые из них.
     Все большее значение приобретает, например, в последнее время исследование биологического действия ультразвука. Ультразвуковые волны способны разрушать клеточные и тканевые структуры, дробить крупные органические молекулы и вызывать подчас весьма сложные химические реакции.
     Серьезную помощь может оказать биофизика сельскому хозяйству. Здесь перед учеными стоит задача изыскания путей наиболее рационального применения физических факторов с целью повышения урожайности растений и продуктивности животных.
     Развитие биофизики связано с именами многих советских ученых. Новая отрасль науки завоевывает себе все большее признание. В Академии Наук СССР образован Институт биологической физики, кафедра биофизики создана при Московском университете. Все это будет содействовать дальнейшему расцвету советской биофизики.