Истоки биофизики

Биофизика подарила научному сообществу уникальный инструмент: она не просто пассивно констатирует факты, а позволяет математически просчитывать биологические явления и создавать точные прогностические модели живых систем.

Предлагаю совершить увлекательное экскурс-путешествие по историческим пластам зарождения этой дисциплины, познакомиться с ключевыми фигурами, которые дерзнули применить законы физики к живым организмам, а заодно восстановить историческую справедливость в финале.

Что такое жизнь?

Морозным февральским днем 1943 года в стенах дублинского Тринити-коллледжа царил необычайное оживление. Около четырехсот биологов, физиков, студентов и просто любознательных горожан заполнили аудиторию в ожидании знакового выступления. Трибуну занимала настоящая рок-звезда науки своего времени, один из отцов-основателей квантовой механики — Эрвин Шредингер.

Что же могло привлечь столь разноплановую аудиторию?

Причиной ажиотажа стала революционная гипотеза Шредингера: наследственные данные закодированы в сложной молекулярной структуре, которая избегает банального копирования одинаковых звеньев (подобно кристаллам), а представляет собой информационный «текст» или матрицу.

Масштаб этого события трудно переоценить. Лекции спровоцировали сдвиг парадигмы в естественных науках, отголоски которого слышны и по сей день. Вдохновленные дерзкими идеями австрийского физика, Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон сместили вектор своих изысканий из физической плоскости в биологию — и добились оглушительного успеха. В 1962 году им присудили Нобелевскую премию за расшифровку пространственной конфигурации ДНК.

Опубликованная по итогам тех выступлений монография «Что такое жизнь?» на десятилетия стала настольной настольной книгой исследователей. Она объединила физиков и биологов вокруг поиска универсальных законов бытия и заложила фундамент для институционализации биофизики как самостоятельной научной ветви.

Монстр Франкенштейна

На дворе стоял 1780 год. В стенах университетской Болоньи лаборант склонился над препарированной лягушкой, готовясь продолжить эксперимент. Рядом искрила электрофорная машина. Поймав электромагнитный импульс от разряда, металлический скальпель в руке ассистента сработал как импровизированная антенна, и лапка внезапно дернулась, словно ожив.

Присутствовавший при этом Луиджи Гальвани был потрясен: мертвое биополе демонстрировало признаки двигательной активности. Проверив догадку с помощью атмосферного электричества и грозовых разрядов, ученый пришел к смелому выводу: электрическая энергия присуща самой живой материи.

Впоследствии, заменив биологические ткани картонными пластинами соляного раствора, Алессандро Вольта сконструировал знаменитую батарею — вольтов столб. Сам же Гальвани по праву вошел в историю как основоположник электрофизиологии.

О движении животных

Шестнадцатое столетие подходит к кульминации, ознаменованной Научной революцией. Новаторский аналитический метод Галилея захватывает умы интеллектуалов. В научном сообществе разгорается ожесточенная дискуссия между ятрохимиками, видевшими в живых существах исключительно химические реакторы, и ятрофизиками, уподоблявшими организм сложнейшему механическому агрегату.

Одним из самых ярких приверженцев ятрофизического подхода был итальянский эрудит Джованни Альфонсо Борелли. Он рассматривал скелет как замысловатую систему рычагов: кости играли роль жестких балок, суставы выполняли функции шарниров, а сухожилия и мышечные волокна обеспечивали силовую тягу.

Борелли впервые математически рассчитал траекторию смещения человеческого центра тяжести при ходьбе, беге и прыжковых движениях. Распространив законы физики на висцеральные системы, он описал сердце как классический мышечный насос, а дыхание — как чисто механическое расширение грудной клетки. Его фундаментальный труд «О движении животных» (De Motu Animalium), изданный посмертно в 1681 году, заложил академические основы современной биомеханики.

О венозных клапанах

Перенесемся в эпоху Возрождения, в Падуанский университет — интеллектуальный эпицентр тогдашней Европы, где царил дух свободомыслия, свободный от догм инквизиции.

Здесь читал лекции по точным наукам упомянутый Галилей. Его коллега и личный медик Иеронимус Фабриций, находясь под впечатлением от идей друга, увлеченно разгадывал инженерные замыслы природы. Если Галилей изучал баллистику и маятники, то Фабриций исследовал суставные рычаги и аэродинамическое сопротивление воздуха при полете птиц.

Стремясь постичь физику живых тканей, Фабриций проводил дерзкие эксперименты: препарировал бычьи глаза для изучения преломления света, инкубировал куриные эмбрионы в поисках «перводвигателя» жизни. На собственные средства он открыл в Падуе первый стационарный анатомический театр, где наглядно демонстрировал механику голосообразования, пропуская через гортань препарированных объектов воздушную струю. Ученый верно определил оптические оси глаза и сместил хрусталик ближе к фронтальной зоне, однако догматичная вера в авторитет Галена помешала ему сделать главный вывод: глаз устроен по принципу камеры-обскуры, а проецирование картинки происходит непосредственно на сетчатку, которую Гален считал лишь питательным субстратом. Итогом изысканий стал трактат «О зрении, голосе и слухе» (1600).

Годом позже, в 1604-м, в труде «Дополнения к Витело» Иоганн Кеплер исправил фундаментальный просчет Фабриция, вернув сетчатке ее истинное назначение. Он доказал, что именно сетчатая оболочка служит экраном, на котором формируется перевернутое оптическое изображение.

Настоящим прорывом стала его работа 1603 года «О венозных клапанах» (De Venarum Ostiolis). До этого медицинское сообщество полагало, что кровь движется по сосудам туда-сюда, подобно океанским приливам. Фабриций же обнаружил в венах конечностей миниатюрные заслонки — ostiola, работающие как ниппельные клапаны: они пропускают поток строго в одном направлении. Эта концепция превратила анатомию из описательной дисциплины в науку о живых механизмах.

От живописи к сердцу

Заглянем в XVI столетие во флорентийскую мастерскую Андреа дель Верроккьо. Здесь за мольбертом трудится молодой подмастерье, критически оценивая каждый мазок кисти.

Желая максимально достоверно передать пластику человеческого тела, Леонардо да Винчи глубоко погрузился в анатомию, быстро перешагнув рамки портретной живописи в сферу божественной инженерии. Руководствуясь неуемным любопытством, стиравшим грани между искусством и естествознанием, живописец совершил фундаментальный прорыв в гидродинамике кровеносной системы.

Опираясь на понимание гидродинамических вихрей, да Винчи изготовил восковой слепок бычьего сердца, по которому отлил стеклянную копию аортального клапана. Для визуализации потоков он пустил по системе воду с добавлением мелких семян проса — прообраз современных трассеров. Эксперимент показал, что у основания аорты формируются турбулентные завихрения. Именно эти гидродинамические эффекты, а не только кровяное давление, заставляют створки клапана надежно смыкаться после выброса крови.

Лишь на исходе XX века методы магнитно-резонансной томографии подтвердили безупречную точность зарисовок Леонардо. Сегодня эти исторические наброски помогают кардиохирургам проводить ювелирные операции по реконструкции клапанов без сужения их просвета.

Леонардо оставил глубокий след и в другой дисциплине — биомеханике полета. В своем «Кодексе о полете птиц» (1505) он анализировал аэродинамику крыла, плотность воздушных масс и векторы тяги, закладывая базис современной аэронавтики. К несчастью для науки, рукописи гения веками пылились в частных собраниях и были опубликованы лишь в XVIII–XIX веках, надолго затормозив прогресс.

Тот, кто ищет истину

Долгое время настольной книгой ведущих европейских анатомов оставался многотомный «Трактат об оптике» (ок. 1021 г.), созданный арабским ученым Ибн аль-Хайсамом (Альхазеном). Он вошел в историю не только как отец оптики, но и как один из пионеров экспериментального метода. Отвергнув слепое поклонение авторитетам, он провозгласил: «Ищущий истину не должен слепо доверять трудам предшественников… Он обязан подвергать сомнению любое прочитанное слово и атаковать его со всех позиций».

Опровергнув античный миф о том, что глаз якобы испускает зрительные лучи, Альхазен экспериментально доказал прямолинейность распространения света и оптическую природу зрения. Он первым установил, что световой поток проникает извне, а не генерируется внутри глаза, подробно описав рефракцию света роговицей, хрусталиком и стекловидным телом.

О движении животных: оригинал

Почему птицы уверенно рассекают воздушную стихию, а рыбы — водную? Каким образом змея передвигается без конечностей за счет волнообразных изгибов? Почему при ходьбе человеку необходимо сгибать ноги в коленях?

Этими вопросами еще в IV веке до нашей эры задавался философ, вдохновивший целую плеяду будущих исследователей. На протяжении двух тысячелетий Да Винчи, Фабриций, Борелли и другие мыслители искали ответы на фундаментальные идеи Аристотеля, используя все более изощренный математический аппарат.

Свой главный трактат Борелли озаглавил точно так же, как и древний труд Аристотеля. Сама история этого произведения отражает попытку разрешить вечную загадку: как нематериальный импульс желания трансформируется в механическую работу костей и мышц? Это была первая в истории попытка создания единой теории функционирования живых систем.

Аристотель осознал, что перемещение в абсолютной пустоте без опоры невозможно: для отталкивания необходима внешняя среда — земля, вода или воздух. Проанализировав внутреннее устройство организма, он пришел к выводу о наличии внутренней точки опоры. Сустав функционирует по принципу дверной петли: одна половина вращается, тогда как вторая остается неподвижной. Приводят же этот биомеханический комплекс в действие психические интенции — стремление достичь определенной цели. Философ заключил, что локомоция возникает на стыке психологии (целеполагания) и механики (рычагов и опор).

Несправедливость

Биофизика проделала колоссальный путь от маргинальной дисциплины до фундаментальной науки с огромным потенциалом. К сожалению, на SE7ENе сохраняется досадная несправедливость. Авторам по-прежнему приходится искусственно совмещать теги «Биология» и «Физика» для материалов, которые давно объединены под зонтиком биофизики. При этом отдельный хаб для подобных публикаций до сих пор отсутствует.

---

Разумеется, за рамками повествования осталось множество выдающихся умов, внесших весомый вклад в становление биофизики. Обязательно дополняйте этот список именами и открытиями в комментариях.

 

Источник