Биофизика познание жизни

«Не сомневайтесь в великих возможностях физики. Физика может объяснить любое увиденное в жизни явление». Дау (Лев Ландау)

               
Постулат «изотропности пространства» предполагает однородность во всех его точках, т.е объективные закономерности наблюдаемой реальности одинаковы во всех точках Вселенной. Косвенным показателем этого является постоянство основных физических констант: скорость света в вакууме (299 792 458 м·с;1), гравитационная постоянная (6,674 30(15);10;11 м3·кг;1·с;2), постоянная Планка (6,626 070 15;10;34 Дж·с), элементарный заряд (1,602 176 634;10;19 Кл), и если изменятся эти значения хотя бы на долю процента, то мы уже будем жить (если будем) в другой «реальности».
Несмотря на то, что закономерности объективной реальности справедливы на всех уровнях, для удобства изучения вся информация условно разделена на соответствующие «научные дисциплины». Все, что связано с пространством-временем-материей отнесено в раздел физики и химии, ещё для «живой материи» выделен раздел биологии. Сегодня, в силу значительного количества информации («нельзя объять необъятное»), уже трудно найти «универсальных познавателей» типа Пифагора, Архимеда, Ньютона, Ломоносова и др., которые сняли все «сливки» научных знаний и поэтому начинается «административное» деление всего «не вспаханного поля» науки на «мелкие огородики» отдельных дисциплин. В общем случае, это не плохо, но следует отдавать себе отчет, что природа – это единое целое, а мышление человека в большей мере – субъективно. Научные теории, всего лишь определенные модели объективности, более или менее отражающие реальность и способные предсказывать новые открытия, иногда классические теории, с появлением новой информации, даже отвергаются, как например, гелиоцентрическая модель мира.
Научно-технический прогресс создает так же условия для взаимного проникновения знаний между различными направлениями, например, объединение знаний кузнеца и гончара, возможно, привело к созданию «порошковой металлургии». Примерно такое же объединение произошло между физикой и биологией, и не так важно, был ли это биолог с физическим образованием, или физик, вникнувший в биологию, но в результате сформировалось новое направление – биофизика.

   КЛАССИКА

«Можно сказать, что у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945), где рассматривалось несколько важнейших проблем, таких как термодинамические основы жизни, общие структурные особенности живых организмов, соответствие биологических явлений законам квантовой механики и др.». (Википедия). Эту монографию я прочитал ещё на первых курсах, «взахлеб», как детектив, впечатлило. После этого были монографии Скулачёва  В.П., Митчела П.Д., Аккермана Ю.,  Волькенштейна М.В. и другие.
«Уже на начальных этапах своего развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики и использовала в исследовании биологических объектов точные экспериментальные методы (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические). Основной итог этого периода развития биофизики — это экспериментальные доказательства приложимости основных законов физики к биологическим объектам» (Википедия) и с этим можно не согласится, т.к. «законы физики» инвариантны относительно вида материи. Более корректнее, наверное, будет другая точка зрения - «биофизика есть наука, изучающая физические явления и процессы, неравновесные условия существования биологических систем, их взаимодействия между собой и с окружающей средой, структуру и свойства живой материи и ее движения».
К сожалению, на нашем физмат факультете не было курса «биофизики», не было факультативных лекций и лабораторных работ, поэтому пришлось заниматься методом «самообразованием», а благодаря проф. И.Втитолсу, курсовая и дипломная работы, хотя и довольно слабые, но были тоже в области биофизики (основная специализация – «полупроводники и квантовая химия»). Фактически после университета я был «биофизик-самоучка», но распределение получил хорошее – в «Лабораторию биотехнологии», а непосредственный начальник – Ю.Швинка, биофизик из МГУ.
Переход от физических экспериментов с полупроводниками к биологическим с бактериями был довольно «болезненный» - «...все не так, все не так, как надо» (В.Высоцкий) и начался длительный процесс адаптации к биофизике, а началом послужила «хемиосматическая теория» П. Митчелла (Нобелевская премия, 1987г.).
На мой взгляд, в биофизике сделано два фундаментальных открытия — это пространственная кристаллическая структура ДНК. «В начале 1950-х годов американский биолог Джеймс Уотсон и британский физик Фрэнсис Крик опубликовали свою знаменитую модель двойной спирали ДНК. Они оказались первыми, кто пересёк «финишную прямую» в этой научной «гонке», в то время как другие учёные, например, Лайнус Полинг, открывший вторичную структуру белка, также пытались найти корректную модель». («Открытие структуры ДНК» – Нобелевская премия за 1962г.). Это открыло «плотину для потока работ» по созданию пространственных моделей органических макромолекул, вирусов, клеток и пр.
Второе открытие, уже упомянутое выше, «хемиосматическая теория» П. Митчелла, положило начало «молекулярной динамике» клеточных процессов.
Мне трудно оценить результаты собственной работы за 13 лет в области биотехнологии с биофизическим подходом, но субъективный взгляд говорит о том, в мозгах сложилась определенная парадигма биофизического взгляда на объективную реальность, я бы сказал, что появилось какое-то «интуитивное» ощущение «физической сущности» живой материи.
Но мир не стоит на месте и «время камень точит», а я давно уже не занимаюсь экспериментальной биофизикой, да и литературу просматриваю «по диагонали», т.е остаюсь на «старом добром» классическом уровне. И только в последние годы появилось желание стряхнуть пыль с мозгов и придумал заняться новым модным направлением – «бионанофизикой» (даже с народом мыслями поделился в Википедии).

   СОВРЕМЕННОСТЬ

Сделать качественный обзор современного состояния биофизики представляется весьма затруднительным, по крайней мере для меня, но оценить критическим взглядом можно сделать попытку.
Во-первых, существует стабильная база подготовки кадров, специализация «биофизика» доступна во многих высших учебных заведениях и соответствующие программы обучения на должном уровне, даже в режиме онлайн. Во-вторых, имеются нормальные биофизические лаборатории с хорошим оборудованием, но это зависит от финансовых ресурсов, а фундаментальные исследования финансируются, обычно, по остаточному принципу. В-третьих, основные направления и методы базируется на использования физической аппаратуры для объективного контроля (но далеко не каждый биолог с микроскопом, как и физик-оптик может быть биофизиком).
«Кадры решают всё» - сказал классик и во многом был прав. На основе опыта общения на симпозиумах и конференциях, я сделал для себя интересный вывод, что количество биофизиков «от физики» значительно больше, чем «от биологии». Дело, наверное, в структуре мышления, она у всех разная. Биологу, наверное, не просто вникнуть в сущность физической экспериментальной аппаратуры, а вот для физика меняется только объект эксперимента, условно говоря, просто «кристалл заменили на клетку».
«Неисповедимы пути развития Сознания» и трудно предсказать в «какую степь» направятся мыслительные процессы ребенка. Кажется, С.П.Капица сказал, что человек должен делать по, что ему кажется делать легко, другими словами, заниматься в той области, где у человека проявляется «элементы таланта». Я применял эту формулу на развитие своего сознания и не нашел в ней противоречий, оставив действующей моделью.
В период средней школы были хорошие показатели по математике, физике, химии, хуже в биологии, литературе и ужасные по языкам. Все это было спонтанно, без целевого назначения, по принципу «как будет - так и будет», без особых напряжений. Направление развития мозгов осознано сформировалось в последних классах, выбор пал на физику. Поступить в университет школьнику из провинциальной школы, объективно, было весьма затруднительно, и первая попытка была непроходной по баллам. Год подготовки привел к накоплению знаний, да и призыв в армию нависал, так, что «пришлось» поступить и даже два курса был отличником. «Сломался» я на тех баллах по ММФ («студенческая жизнь» победила «теорию познания») и закончил универ среднестатистическим выпускником, без наград и «красных дипломов».
Разум притягивали два направления - квантовая механика и атомная физика, а также биофизика, которой я увлекался самостоятельно. Первое направление, которое воспринималось легко, скорее всего дань мировым успехам в этой области, романтике науки и гениям «нашего времени – Мария Кюри, А. Эйнштейн, Э. Шрёдингер, В. Паули, Нильс Бор, Л. Ландау и другие. Но «выше головы не прыгнешь», распределение в «Центр ядерных исследований» мне не грозило, оставалась биофизика. Поисковая «экскурсия» по доступным местам, включая фаворита латвийской науки «Институт оргсинтеза» закончилась в «Институте микробиологии и вирусологии им.А.Кирхенштейна», в «Лаборатории биотехнологии» (зав.лаб. У.Виестур).
В свое время мне удалось в различных биологических и физических научных центрах (в том числе и в г.Пущино), которые идентифицировали себя как биофизические. Аппаратурное оснащение у всех разное – от самых совершенных установок до «самодельных» экспериментальных, которые выдавали нетривиальные результаты (кстати, аппаратура, созданная в нашей лаборатории получала медали ВДНХ и даже были планы разработки биореакторов для экспериментов на орбитальной станции). На «развалинах» института, благодаря усилиям В.Банковского, родилась успешная фирма по производству лабораторной аппаратуры –«Biosan».
Последние каталоги лабораторной аппаратуры, особенно в сфере молекулярной биофизики и биохимии, показывают увеличение доли «роботов-лаборантов» и это хорошо, снижается влияние «человеческого фактора» и повышается стандартизация проведения экспериментов, думаю, что такие «лаборанты» с обработкой результатов «искусственным интеллектом» внесли свою лепту в разработку вакцины против коронавируса.


   ВЗГЛЯД ЗА ГОРИЗОНТ

«Хочешь рассмешить Бога, расскажи ему свои предсказания и планы на будущее», короче говоря, это обычно делают в жанре научной фантастики, относительно будущего биофизики, уже многое описано в такой литературе.
Опять же, существует фактор непредсказуемости рождения «Идей», фактор «Эврики»! Однако, сделаем попытку логического анализа возможных, наиболее необходимых биофизических разработок, которые могут быть реализованы в обозримом будущем.
Во-первых, очевидным промежуточным результатом клеточной биофизики (достойным Нобелевской премии) является создание «искусственной клетки». Получение клеточного каркаса, «микрошариков», липидных визикул (пространство, ограниченное бислойной липидной мембраной, как у клетки) было освоено ещё в прошлом веке, сложности начинаются при «наполнении» этих шариков, но «если долго мучатся – что-нибудь получится», т.е. задача чисто инженерная – «загрузить» липидную визикулу необходимым количеством соответствующих органических макромолекул и «запустить процесс» динамической биохимии, т.е. «жизни», пусть на первом этапе даже без размножения. Это путь простого копирования клеток, уже созданных эволюцией.
Более сложной представляется задача создания искусственной клетки с наночастицами неорганического происхождения, то, что в фантастической литературе называют «наноботами» или «нанороботами». Правда не совсем понятно, какие функции они будут выполнять и как их «заставить» что-то делать.
Во-вторых, развитие компьютеров уже не остановить, и процесс пока идет методом линейного развития увеличение мощностей и скоростей элементной базы (вплоть до квантового уровня), но уже появился термин «нейросети» (сам недавно обратил внимание), который ассоциирует с нейронами, клетками головного мозга. Думаю, что это первая попытка скопировать систему функционирования головного мозга, и даже результаты обнадёживающие. Но есть ещё одно направление, которое пока ещё не очень «засвечено» - это создание биокомпьютеров. Вот здесь кроются некоторые нюансы в терминологии. По сути своей любой «биокомпьютер» представляет собой гибрид техники (по крайней мере система ввода и вывода информации) и биологии (система молекулярных или клеточных элементов, работающих на АТФ). К такому устройству более подходят термины «биотехнический» или «технобиологической». Для создания биотехнического компьютера, вернее его биологического процессора, необходимо мышление «биофизика от биологии». На первом этапе можно выбрать что-нибудь попроще нейронов головного мозга, например, структуру корневой системы грибов – мицелий. Ещё потребуется другая математическая основа и это уже путь к созданию не только «искусственного интеллекта», но также «искусственного Сознания», способного выдавать эвристические решения – вот и будет реализована молва о «мыслящих грибах».
В-третьих, здоровье организма человека во все времена было актуальным вопросом, в идеальном варианте все системы организма должны «работать» определенное время (как можно дольше) и, если уже «ломаются» от старости, то лучше все одновременно, как в хороших японских машинах. Лечить («ремонтировать») в течение жизни то одно, то другое кажется «неправильным» и уж если это приходится делать, то желательно со знанием дела. Теоретически понятно, что для нормальной «работы» организма необходимо проводить своевременные «техосмотры» и соответствующие профилактики, вот здесь и открываются широкие горизонты для профессиональной «медицинской биофизики».
Сложно, конечно, представить себе терапевта-физика, но тем не менее в госпиталях и больницах достаточно современного измерительного и лечебного оборудования. Процесс коррекции здоровья организма состоит из двух частей: первое – получение максимально полной информации о функционировании организма и постановка «правильного» диагноза, второе – проведение динамической коррекции метаболизма до равновесного «здорового» состояния, т.е. провести «правильное» лечение. Задача трудная, но постепенно, со временем будет решаться, тем более, что конечное решение уже описано фантастами – это «медицинская капсула» с искусственным интеллектом.

И в заключении, на грани фантастики и «лженауки».
С точки зрения физики, биологическая материя, является динамической системой, снижающая уровень энтропии, а следствием этого является генерация различных полей, и в первую очередь электромагнитных. Стоит хотя бы отметить наличие электрического мембранного потенциала (разность потенциалов составляет 60;90 mV на мембране 10 нм). С помощью электродов, расположенных на поверхности организма (на коже) снимают различные электрические колебания – электрокардиограммы (работа сердца), электроэнцефалограмма (работа мозга) и другие. При большом воображении можно также констатировать колебания гравитационного поля (следствие перемещения масс), правда очень-очень маленькие, далеко за гранью чувствительности аппаратуры (хотя и аппаратуры-то нормальной для измерения гравитационного поля, «гравитационных волн» пока не имеется).
Есть еще целый класс феноменов, которые по современным представления могут быть проявлением полевых эффектов, условно отнесенных к «биополю», и, наконец, физические законы, которые лежат в основе Сознания.
Думаю, что любой ученый «в глубине Души» мечтает сделать фундаментальное открытие, для физика это может быть новый вид полей или материи, или новая парадигма пространства-времени и т.д. Эти открытия, скорее всего, находятся на передовой линии современного экспериментального оборудования, недоступного для большинства, или в мозгах современных гениев. В свое время Энрико Ферми «на пальцах» (с помощью бумажных полосок) измерил мощность взрыва при ядерных испытаниях, подтвердив ещё раз, что «открытия можно делать и «на кухне» или как Архимед, в ванной.
Феномен «дальнодействия» между биологическими объектами, обычно, проявляется спонтанно, его практически не удается установить в лабораторных условия и все интерпретации официально считаются «лженаучными» направлениями, но «она все-таки вертится»!
«Впервые термин «клеточное поле» использован А. Гурвичем в его книге «Теория биологического поля» (Советская наука, 1944).Этим термином обозначалось гипотетическое анизотропное поле физической природы, обуславливающее молекулярную и клеточную упорядоченность организма либо его органов в пространстве».(Википедия). Эта работа, со слов автора в предисловии, является итогом 30-ти летних размышлений (во время студенчества я просмотрел эту монографию «по диагонали», не впечатлило). Интересно отметить, что А. Гурвич по образованию и по складу мышления, наверное, был биологом (биофизик от биологии) и его «сверхслабые излучения живых систем (митогенетическое излучение)» слабо вписывается в теорию физического поля.
Но «слово» было сказано и слово это было «биополе» и процесс пошел, подключились физики, обрушилась критика, нашлись последователи. Многое сделал Гаряев П.П. (недавно ушедший от нас), предложив концепцию «волнового генома», однако, экспериментальная база такого подхода весьма слабая. Кстати, какие-то «необъяснимые» эффекты межклеточного дальнодействия проявлялись в работах по тестированию антираковых препаратах (Институт оргсинтеза, Рига), мои недолгие попытки установить суть явления не дали положительного результата.
Ещё одну попытку придать «научные контуры» (за рамками классических полей) феномену «биологического дальнодействия» сделали Акимов Е. и Шипов Г. в концепции «торсионных полей», к сожалению, эти работы пока находятся в категории «псевдонаука». Мне удалось послушать лекции этих физиков и даже пообщаться несколько раз и в Риге и в Москве, но окончательных выводов у меня не сложилось – «дело ясное, что дело не ясное». Результаты моих собственных поисков «биологического дальнодействия» почти нулевые, но… «они всё-таки проявляются!» и ждут своего биофизика.
Существует ещё один биологический феномен, который не измерен и не вписан в физическую «картину Мира» - это Сознание. Справедливости ради следует отметить, что попытки познать «физическую сущность сознания» все же существую, т.е. мысли такие в голову народу «приходят», например, Каминский А.В. (Введение в физику сознания.), Букалов А.В. (О природе сознания и психики.), «К вопросу о биофизической сущности сознания»,  Коняев С.Н. (Научные подходы к феномену сознания) и «модное» направление – «квантовое сознание». Однако, тема «биофизика сознания» невероятно сложная (пока она не «проявилась» и находится в области непознанного) и требует более детального анализа, может и «дойдут до не мои руки».
16.06.2021. Baburin ©