Биофизика

    "Среди научных дисциплин, завоевывающих за последнее время все большее и большее значение, выдающееся положение занимает биофизика, как всякая наука, стоящая на грани соседних областей", -писал в 1930-х годах академик П. П. Лазарев.

Первый Институт биологической физики был создан в нашей стране еще в 1919 г.

    В 1930-х годах на основе квантовых представлений о природе света была определена чувствительность зрительного аппарата человека (П. П. Лазарев, С. И. Вавилов). Обнаружено, что в условиях темновой адаптации (привыкание к полной темноте) человек в состоянии регистрировать отдельные кванты света.

     В то время был поставлен вопрос (на который и сегодня еще не получен однозначный ответ): действуют ли короткие и ультракороткие электромагнитные волны, производящие несомненный физиологический эффект, только тепловым способом, или существует и другой механизм их воздействия? Исследования в этой области, но, естественно, на новой методической базе ведутся и сейчас. Интересные результаты были получены В. В. Шулейкиным в ходе исследования гидро- и аэродинамики рыб и птиц. Например, изучен механизм движения летучей рыбы, которая запасает энергию, отталкиваясь хвостом от поверхности воды, а дальнейший полет ведет планированием. Оказалось, что пространственное расположение птиц в летящей стае отвечает минимуму затрат энергии, расходуемой на трение о воздух, и что существует ограниченное число форм расположения стаи, отвечающих этим условиям. Подобно этому стаи рыб минимизируют гидродинамическое сопротивление. Такие результаты имели не только теоретическое значение, но и практическое -   конструирование летательных аппаратов и водных транспортных средств. В этот период Н. А. Бернштейн создал новый раздел биофизической науки—количественную биомеханику, имеющую широкое практическое применение в спорте, физиологии труда (предотвращение профессиональных заболеваний). В настоящее время эта теория нашла применение в создании роботов. Можно смело сказать, что многие биофизические исследования 1930-х годов вошли в "золотой фонд" науки.

    Во второй половине XX в. появился новый термин - биотехника, он относится к участию биологических наук, и в частности биофизики, в решении технических проблем, в улучшении промышленных технологий. Приведем несколько примеров.

    Из всех способов преобразования химической энергии в механическую живая система использует наиболее эффективный: процесс идет при комнатной температуре, низком давлении и сравнительно высоком коэффициенте полезного действия (свыше 30%). Биологические системы отличаются от существующих технических высоким уровнем "миниатюризации", большими концентрациями энергии, низкими коэффициентами трения и большой надежностью.    

Аппарат "искусственное сердце"

Существующие плотности энергии в технических системах, например, создаваемые электрическими и магнитными полями в газовой среде, составляют соответственно 10² дж/м³ и 10⁶ дж/м³ . В биологических системах в двойном электрическом слое, возникающем на границе твердой фазы и раствора электролита, плотность энергии обычно 10⁷ : 10⁸ дж/м³. Кроме того, используется эффективный вид "смазки" - отталкивающиеся электрически заряженные молекулярные слои. Надежность биологических систем определяется самовосстановлением и системой дублирования рабочих элементов. Сердце человека, этот "хемоэлектромеханический насос", производит за жизнь свыше 10⁹ сокращений, в то время как самые надежные механические системы обеспечивают не более 10⁷ переключений, т. е. во 100 раз меньше.

    Возможность создания нового типа механохимического двигателя доказана экспериментально. Его функционирование   основано на том, что равновесие между двумя формами полимера, имеющего разные механические свойства, сдвигается при изменении химического потенциала среды. Полимер, таким образом, находится то в растянутом, то в сжатом состоянии.

    Если раньше исследователи шли, в основном, по пути воспроизведения в  технике принципов, используемых в живых системах, то сегодня создаются гибридные системы, в которых одна часть выполнена в металле, а другая - состоит из биоэлементов. Предпринимаются попытки создать компьютер, использующий элементы, характерные для нервной системы. Его предполагают снабдить датчиками на биологической основе и исполнительными устройствами, которые базируются на молекулярных механизмах мышечного сокращения.

    Природа едина, а деление на науки условно. При решении любой практической проблемы необходимо учитывать возможное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. В связи с этим видятся большие возможности биофизики с ее разносторонним подходом к исследованию биологических проблем и арсеналом эффективных физико-математических методов.

    Можно назвать несколько глобальных научных проблем, в решение которых биофизика могла бы внести заметный вклад. Это, во-первых, создание методов контроля за изменениями среды обитания человека; во-вторых, дальнейшее развитие профилактики, диагностики, поддержания и восстановления здоровья; в-третьих, поиск путей обеспечения человека пищей; в-четвертых, определение вариантов рационального использования уменьшающихся запасов полезных ископаемых.

    Одна из важнейших задач биофизики состоит в том, чтобы разобраться в цикличности процессов, протекающих в биосфере и предупредить возможное трагическое приближение к границам устойчивости биосферы.

   Мы еще достаточно далеки от понимания механизмов живой природы, и призыв древних "Познай самого себя" не только остается актуальным сегодня, но и смело может быть адресован будущим поколениям биофизиков.