История биологии с начала XX века до наших дней - [149]

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.

Итальянец Л. Гальвани, опубликовавший в 1791 г. «Трактат о силах электричества при мышечном движении», пытался объяснить сокращение мышцы тем, что ее наружная поверхность заряжена отрицательным, а внутренняя положительным электричеством, т. е., иными словами, мышца является лейденской банкой, а нерв — проводником, через который проходит электрический разряд. Его оппонент, физик А. Вольта, отрицавший вначале наличие животного электричества, впоследствии доказывал, что биоэлектрические потенциалы обусловлены наличием в тканях гальванических элементов. Существованием батареи таких элементов он объяснял мощные электрические разряды у скатов. Это представление получило всеобщее признание. Тем самым была поставлена проблема — как устроены эти химические элементы, и в какой части тела они помещаются у организмов.
Основатель электрофизиологии Э. Дю-Буа-Реймон еще в 40-х годах XIX в. выдвинул гипотезу о строении этого биогальванического элемента, согласно которой в мышцах должны быть заключены особые «периполярные молекулы», состоящие из двух диполярных молекул, обращенных друг к другу положительными, а наружу отрицательными полюсами, которые при повреждении распадаются. Показательно, что даже такие физиологи, как Клод Бернар, считавшие, что понимание «гармонии всего организма» не может быть достигнуто на основании физики и химии, все же признавали, что объяснение отдельных элементарных жизненных явлений на физико-химической основе является основной задачей 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.

Биофизические исследования в физике.

Интерес физиков к биологии в XIX в. непрерывно возрастал. Одновременно и в биологических дисциплинах усиливалась тяга к физическим методам исследования. Последние все шире проникали в самые различные области биологии. С помощью физики расширяются информационные возможности микроскопа. В начале 30-х годов XX в. появляется электронный микроскоп. Эффективным орудием биологического исследования становятся радиоактивные изотопы, все более совершенствующаяся спектральная техника, рентгеноструктурный анализ. Расширяется сфера применения рентгеновых и ультрафиолетовых лучей; электромагнитные колебания используются не только как средства исследования, но и как факторы воздействия на организм. Широко проникает в биологию и, особенно физиологию, электронная техника.

Наряду с внедрением новых физических методов развивается и так называемая молекулярная биофизика. Добившись огромных успехов в познании сущности неживой материи, физика начинает претендовать, пользуясь традиционными методами, на расшифровку природы живой материи. В молекулярной биофизике создаются весьма широкие теоретические обобщения с привлечением сложного математического аппарата. Следуя традиции, биофизик стремится в эксперименте уйти от очень сложного («грязного») биологического объекта и предпочитает изучать поведение выделенных из организмов веществ в возможно более чистом виде. Большое развитие получает разработка различных моделей биологических структур и процессов — электрических, электронных, математических и т. п. Создаются и изучаются модели клеточного движения (например, ртутная капля в растворе кислоты, совершающая ритмические движения, подобно амебе), проницаемости, нервного проведения. Большое внимание привлекает, в частности, модель нервного проведения, созданная Ф. Лилли. Это железное проволочное кольцо, помещенное в раствор соляной кислоты. При нанесении на него царапины, разрушающей поверхностный слой окисла, возникает волна электрического потенциала, которая очень похожа на волны, бегущие по нервам при возбуждении. Изучению этой модели посвящается много исследований (начиная с 30-х годов), использующих математические методы анализа. В дальнейшем создается более совершенная модель, базирующаяся на кабельной теории. Основой ее построения явилась некоторая физическая аналогия между распределением потенциалов в электрическом кабеле и нервном волокне, поскольку и в том и в другом имеется хорошо проводящая сердцевина и плохо проводящая оболочка. Благодаря этой модели получила распространение точка зрения, согласно которой ведущую роль в проведении импульсов по нерву играет электрический потенциал, вызывающий перемещение ионов. Однако физико-химическая интерпретация положений кабельной теории встретила значительные затруднения.