Часть первая основы общей биофизики

Медицинская биофизика.

ГУБАНОВ Н. И., УТЕПБЕРГЕНОВ А. А. М., «Медицина», 1978, 336 с, ил.

 

Учебник состоит из введения и (14 глав, в которых последователь­но освещены основные положения биофизики и ее значение для (меди­цины. В ней изложены следующие основные вопросы: основы теории информации и регулирования биологических процессов, термодина­мика и кинетика их, фотобиологические процессы, ультраструктура и проницаемость клеток, биоэлектрические потенциалы и электрокинетические явления, электропроводность тканей, действие ионизи­рующих излучений и ультразвука на клетки, мышечное сокращение, кровообращение, внешнее дыхание, биофизика органов чувств и кодирование в них информации.

«Наряду с чисто (биофизическими данными авторы используют результаты новейших исследований по физиологии, морфологии и биохимии клеточных и субклеточных структур. Большое внимание уделено использованию биофизических методов исследования в меди­цине.

Учебник написан в соответствии с основными требованиями про­граммы по биофизике в медицинских институтах и предназначен для студентов и преподавателей этих вузов. Может быть также использован студентами и преподавателями биологических специ­альностей университетов, педагогических и сельскохозяйственных институтов и всеми научными работниками и врачами, интересую­щимися вопросами биофизики.

В учебнике 63 рис., 3 табл., 4 схемы, библиография: 57 наимено­ваний.

 

 

 50100-001

^Г 039(01)—78 ^9--78

© Издательство «Медицина» Москва, 1978

 

ВВЕДЕНИЕ

 

ПРЕДМЕТ БИОФИЗИКИ, ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

Наше время характеризуется быстрым развитием наук, которые возникли на стыках между классически­ми дисциплинами: физикой, химией, биологией. Одной из таких наук является биологическая физика или био­физика.

 

Биофизика — это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, которые протекают в биологических системах на разных уровнях организа­ции и являются основой физиологических актов.

 

Жизнь как биологическая форма движения материи включает в себя низшие формы движения материи — физическую и химическую, через которые она и прояв­ляется. Как отмечено Ф. Энгельсом, «организм есть, не­сомненно, высшее единство, связывающее в себе в од­но целое механику, физику и химию»¹. Согласно мате­риалистической диалектике, невозможно свести высшие формы движения материи к низшим, невозможно, исхо­дя только из законов низших форм движения материи, объяснить высшие формы движения материи. Однако знание законов низших форм движения материи позво­ляет понять глубинные основы высшего уровня органи­зации материи, позволяет вскрыть механизмы явлений более высокого порядка.

Биофизика, исследуя физические и физико-химиче­ские процессы в организмах на молекулярном уровне, позволяет вскрыть механизмы физиологических процес­сов и объяснить причины наблюдаемых биологических явлений. Так, например, физиологам давно был изве­стен закон «все или ничего». Причины этого явления

 

 

М а р к с К. и Э,н г е л ь с Ф. Соч. Т. 20, с. 566.

3

 

 

были найдены при исследовании физико-химических процессов, лежащих в основе возникновения возбуж­дения. Исследования показали, что указанная законо­мерность обусловлена тем, что проницаемость клеточ­ной мембраны является функцией ее потенциала, и тем, что потенциал действия определяется величиной ионных градиентов. Таким образом, биофизика позволяет понять сущность биологических явлений значительно глубже, чем классическая биология, и этим создает фи­зико-химический базис для физиологии.

Основная задача биофизики заключается в том, чтобы на конкретном биологическом материале пока­зать, каким образом физические, физико-химические и химические процессы, протекающие в живом организ­ме «согласно тем же самым законам, но при иных ус­ловиях, чем в неорганическом мире», переходят в ка­чественно новые, уже физиологические явления. Иссле­дование физико-химических основ физиологических процессов сопряжено с очень большими трудностями. Физические и химические процессы протекают в организме в особых, своеобразных условиях, которые отсут­ствуют где-либо в неживой природе и поэтому облада­ют рядом специфических закономерностей, подлежа­щих специальному исследованию. Вторым фактором обусловливающим сложность указанной проблемы, яв­ляется исключительная специфичность, гетерогенность и динамичность биологических систем. Как отметил из­вестный биофизик К. Коул, «работа клетки воистину великолепна, но она уводит нас от простой, бесхитрост­ной физики в пучину сложностей».

Биофизика окончательно изгоняет из биологии ви­талистические и метафизические концепции, показывая, что ничего мистического и непознаваемого в явлениях жизни нет, что в основе физиологических процессов лежат сложным образом скоординированные и органи­зованные физические и химические процессы, которые в совокупности образуют сопряженную саморегулиру­ющуюся систему.

Раньше некоторые ученые считали, что биофизика должна изучать только физические процессы в орга­низме. При этом на живые клетки смотрели как на фи­зические системы. Такая точка зрения является ошибоч­ной, поскольку живые организмы стоят несравненно ближе к химическим системам, чем к физическим. Как

4

 

отмечает крупный советский биофизик Б. Н. Тарусов, попытки подойти к биологическим явлениям с чисто физических позиций носили наивный характер.

Биофизика как самостоятельная наука выделилась из многих дисциплин: физиологии, биохимии, физиче­ской химии, физики, поэтому во многих случаях гра­ницы между этими дисциплинами и биофизикой явля­ются условными. Особенно большое значение для био­физики имело развитие физической химии, которая позволила установить более продуктивную связь меж­ду физикой и биологией. На основе этого Б. Н. Тарусов дал определение биофизики как физической химии и химической физики биологических систем.

Поскольку предметом биофизики являются физическиеи физико-химические процессы         в организме, то

при биофизических исследованиях применяются в ос­новном физические и физико-химические методы, кото­рые модифицируются и приспосабливаются для целей биофизических исследований. В связи с тем, что часто приходится иметь дело с небольшим количеством ис­следуемого материала, а также с исследуемыми пара­метрами небольшой величины, биофизические методы должны обладать высокой чувствительностью и точностью. Кроме того, эти методы не должны вносить значи­тельных искажений в структуру и свойства исследуемо­го объекта. Характерной чертой биофизикиотличаю­щей, ее от биохимии, является то, что она рассматри­вает целостные системы, не разлагая их по возможно­сти на отдельные компоненты. Стремление изучать ненарушенную или минимально нарушенную живую систему вынуждает биофизиков пользоваться очень слабыми источниками излучения при исследовании оп­тических свойств клеток, слабыми электрическими то­ками при измерении электрических параметров и т. п. Поэтому в своих исследованиях биофизики должны ши­роко использовать усилительную технику. Все методы должны давать количественные результаты, что позво­ляет получать количественные зависимости между из­менениями различных физико-химических параметров живой системы. В связи с этим биофизика широко использует математические методы анализа, физическое математическое моделирование, а также вычислительную технику. Благодаря этому биофизика поднимает биологию и медицину до уровня точных наук

5

 

 

По решению Международной ассоциации общей и прикладной биофизики к разделам этой дисциплины относятся: молекулярная биофизика, биофизика клет­ки, биофизика органов чувств и сложных систем.     

 

Молекулярная биофизика рассматривает строение и физические свойства биологических молекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот), а также кине­тику и термодинамику биологических процессов.

Биофизика клетки исследует, во-первых, ультра­структуру клетки, ее физические и физико-химические особенности, во-вторых, физико-химические проявления функциональной активности клеток: проницаемость, биоэлектрические потенциалы и пр.

Основными проблемами биофизики органов чувств является выяснение молекулярных физико-химических механизмов рецепции, изучение процессов трансформа­ции энергии внешних стимулов в специфические реак­ции нервных клеток и механизмов кодирования инфор­мации в органах чувств.

Биофизика сложных систем исследует проблемы ре­гулирования и саморегулирования сложно устроенных многоклеточных систем, а также термодинамические и кинетические особенности их функционирования. В этом разделе биофизика смыкается с биологической кибернетикой, предметом которой являются процес­сы управления и регулирования в биологических си­стемах.

Биофизика изучает механизмы возникновения сигна­лов, а биокибернетика определяет значение этих сигна­лов в деятельности сложных динамических систем. Биокибернетика дает общую формальную схему регу­лирования в биологической системе, а биофизика на­полняет эту схему конкретным физико-химическим со­держанием.

Некоторые ученые выделяют еще один раздел био­физики, в котором исследуются первичные стадии дей­ствия физических факторов (ионизирующей радиации света, ультразвука и пр.) на организмы. Данный раз­дел в настоящее время имеет особенно важное значе­ние для медицины, поскольку многие из этих факторов оказывают поражающее действие на живые организ­мы. От первичных реакций в организме, которые на­блюдаются в момент действия фактора и являются по своей природе физическими или физико-химическими,

6

 

зависит дальнейшее развитие Патологического процесса.

В последнее время биофизика стала оказывать за­метное влияние на развитие теоретической и практиче­ской медицины. К настоящему времени стал формиро­ваться определенный круг вопросов, который можно охарактеризовать как медицинскую биофизику. Одна из основных задач медицинской биофизики — это выяв­ление физических и физико-химических параметров, которые можно было бы использовать для объективной диагностики функционального состояния организма. О нарушении жизненных процессов можно, прежде всего, судить по изменению этих параметров. Известно, что характерным свойством живых клеток является на­личие мембранного потенциала, способность удерживать ионные градиенты, способность поляризовать элек­трический ток, наличие электрокинетического потенци­ала, способность к хемилюминесценции, движение ци­топлазмы. Некоторые из этих параметров медицина уже давно использует для оценки состояния организма. Методы, основанные на регистрации биопотенциалов, стали классическими (электрокардиография, электро­энцефалография и т. п.). В настоящее время начинают более широко применять измерение электропроводно­сти и хемилюминесценции. Показано, что эти методы могут служить для диагностики определенных заболе­ваний, для оценки поражающего действия различных факторов на ткани и т. д.

Следующей важной проблемой медицинской биофи­зики является углубление представлений о механизмах действия на организм тех факторов, которые применя­ются в физиотерапии (диатермии, индуктотермии, УВЧ-терапии, рентгенотерапии и пр.). Это позволит более эффективно использовать их для лечения ряда заболе­ваний.

Наиболее важной проблемой медицинской биофизи­ки является исследование физических и физико-хими­ческих основ патологических процессов. Благодаря ус­пехам биофизики в настоящее время открыта новая глава патологии — физико-химическая патология. В процессе биофизических исследований была выявле­на роль ионных и коллоидных явлений в воспалитель­ном процессе. Физико-химическую интерпретацию по­лучили закономерности клеточной проницаемости и ее

7

 

 

изменений при патологических процессах. На основе изучения механизма действия ионизирующей радиации были получены вещества, осуществляющие химическую защиту от радиации при их введении в организм перед облучением, — ингибиторы. Исследование электриче­ских явлений в костях позволило разработать метод заживления костных переломов с помощью электриче­ского тока. Изучение проницаемости клеток и тканей в биофизическом аспекте позволяет фармакологам и ток­сикологам устанавливать закономерности всасывания и выведения различных препаратов. Большое теоретиче­ское значение и практическая важность исследований в области физико-химической патологии вызывают все большее расширение работ в этом молодом, но быстро развивающемся разделе медицины, который является одним из основных ее направлений.

В системе теоретических дисциплин, преподаваемых

в медицинских вузах, биофизика занимает особое положение. Она подводит итог изучению точных наук и

служит связью между точными науками и науками био­логическими и медицинскими. Точные науки призваны формировать специальное мышление будущего врача в категориях точных наук, что позволит ему глубже по­нять закономерности человеческого организма в норме и патологии. В отличие от физики, химии, физической химии и биохимии биофизика решает эту задачу в наи­более концентрированной и обобщенной форме. Поэто­му в настоящее время появляется потребность в рас­ширении курса биофизики в медицинских вузах.

 

 

Часть первая ОСНОВЫ ОБЩЕЙ БИОФИЗИКИ

Г л а в а I