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

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.

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

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

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,

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

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