Биофизические исследования в биологии

Сильным толчком для формирования биофизики послужило возникновение в конце XIX — начале XX в. физической химии, продиктованное необходимостью выявления механизмов, лежащих в основе химического взаимодействия.

Одним из крупнейших событии в истории физической химии была разработка С. Аррениусом (Нобелевская премия, 1903) теории электролитической диссоциации солей в водных растворах (1887), вскрывшая причины их активности. Эта теория вызвала интерес физиологов, которым была хорошо известна роль солей в явлениях возбуждения, про • ведения нервных импульсов, в кровообращении и т. д. Уже в 1890 г. молодой физиолог В. Ю. Чаговец выступает с исследованием «О применении теории диссоциации Аррениуса к электромоторным явлениям в живых тканях», в котором попытался связать возникновение биоэлектрических потенциалов с неравномерным распределением ионов (см. также главу 3). Несколько позже с аналогичными соображениями выступил американский биолог Ж. Лёб, признавший позже приоритет Чаговца.

В перенесении физико-химических представлений на биологические явления принимает участие целый ряд основоположников физической химии. Исходя из явления движения ионов солей, В. Нернст (1908) сформулировал свой известный количественный закон возбуждения: порог физиологического возбуждения определяется количеством перенесенных ионов. Физик и химик В. Оствальд разработал теорию возникновения биоэлектрических потенциалов, основанную на допущении наличия на поверхности клетки полупроницаемой для ионов мембраны, способной разделять ионы противоположных зарядов. Тем самым были заложены основы биофизического направления в толковании проницаемости и структуры биологических мембран в широком смысле (см. также главу 11).

Разработка коллоидной теории и кинетики

протоплазматических процессов

Созданное в физической химии учение о коллоидных растворах также быстро становится достоянием биологии. В нем многие увидели ключ к разгадке структуры протоплазмы.

Вокруг вопроса о строении протоплазмы в начале XX в. возникла оживленная дискуссия. Гистолог В. Флемминг утверждал, что протоплазме свойственна фибриллярная структура, а Р. Альтман в результате исследований тех же объектов пришел к выводу, что протоплазма построе на из микроскопических гранул. О. Бючли, пользовавшийся методом прижизненных наблюдений, придерживался мнения, что протоплазма представляет собой жидкий коллоид и что коллоидные частицы белка окружены слоем липидов, играющих роль эмульгатора. Этот спор сыграл положительную роль, так как в итоге привел к твердому заключению, что протоплазма является коллоидальной системой. Это в свою очередь послужило толчком к исследованию различных свойств биоколлоидов клетки.

Выдающееся значение в этом направлении имела работа русского исследователя В. В. Лепешкина «Коллоидное строение протоплазмы» (1922)'. Лепешкин пришел к выводу, что элементом коллоидальной системы являются комплексы липидов с белками, которые он назвал витаидами. Такие комплексы непрочны и при повреждающих воздействиях легко разрушаются. Идея Лепешкина оказалась плодотворной. Она вызвала массу исследований, в которых было окончательно доказано, что белки находятся в протоплазме в состоянии липопротеиновых комплексов.

В дальнейшем исследования в области коллоидной химии протоплазмы выявили ряд особенностей, характерных для живых клеток, прежде всего, вязкость протоплазмы. Для измерения этого важнейшего показателя коллоидного состояния были разработаны специальные биофизические методы, которые позволили производить эти измерения в пределах одной клетки с большой точностью (наблюдение за оседанием тяжелых частиц и кинорегистрация броуновского движения частиц).

Большой вклад в изучение вязкости протоплазмы внесла школа Л. Гейльбруна. Исследователями этой школы было установлено, что изменения вязкости связаны с физиологическим состоянием клетки. Так, при всяком переходе из состояния покоя к работе, например при проведении возбуждения, происходит повышение вязкости протоплазмы вплоть до её превращения в гель. Гейльбрун (1928) доказывал, что увеличение вязкости связано с тем, что возникающая при возбуждении реакция приводит к высвобождению связанного кальция, который вызывает обратимую коагуляцию белков. В дальнейшем в опытах на крупных растительных клетках было установлено, что при распределении возбуждения «застудневание» наблюдается там, где возникает электрическая активность, и именно в зоне такого «застудневания» происходят активные химические процессы. Ионно-коллоидное направление особенно интенсивно развивалось в Германии, где ведущую роль играла школа' профессора РІ Гебера в Киле (10—20-е годы), известного своими исследованиями по влиянию кислотности на взаимодействие ионов солей с биоколлоидами. Он же впервые установил высокую электропроводность живых клеток для токов высокой частоты, показав, что она соответствует количеству находящихся в клетках свободных ионов солей. Эта электропроводность получила название внутренней электропроводности. Фундаментальная монография «Физическая химия клетки и ткани» (1926) Гебера долгое время служила для биофизиков настольной книгой.

Еще в конце XIX в. в физической химии возникло учение о скоростях развития химических реакций (химическая кинетика). Работы Я. Вант-Гоффа (Нобелевская премия, 1901), установившего зависимость между скоростью химических реакций и температурой, служили основой, на которой аналогичное направление развивалось и в биофизике. Изучение температурных коэффициентов физиологических реакций сразу же обнаружило, что скорость протекания этих реакций увеличивается с повышением температуры. Аррениус углубил кинетические представления и ввел понятие энергии активации как характерного показателя реакционной активности. Его известное уравнение открыло возможность определять энергию активации на живых неповрежденных клетках и тем самым описывать особенности реакций, протекающих в организмах. Совместно с микробиологами Аррениус пытался определять кинетические параметры иммунологических реакций у бактерий. Его книга «Количественные законы биологической химии» (1926) послужила введением в биологическую кинетику. Впоследствии появилось много исследований по определению физико-химических параметров реакций, протекающих при различных биологических процессах (сокращение сердца, клеточное деление, поражение повреждающими агентами и т. д.).

Температурные характеристики Аррениуса стали использовать для вскрытия механизмов и объективной оценки биологической активности химических соединений, например дезинфицирующего эффекта на бактериях (К. Бирштейн).

Существенный вклад в теоретические представления о физических особенностях протоплазмы внес американский исследователь В. Крозье в 20-х годах XX в. Чтобы объяснить парадоксальный факт, что сложные биологические системы дают простые кинетические кривые, он разработал теорию «узкого места», согласно которой при снятии температурных характеристик со сложной системы последовательных реакций общий ответ соответствует только одной, наиболее медленной из протекающих реакций. Эта закономерность была в дальнейшем подтверждена большим количеством экспериментальных исследований.