Биофизика подарила нам возможность не только “пассивно” описать, но и “количественно” посчитать и даже построить предсказательную модель различных проявлений жизни.

Приглашаю вас в “археологическое” путешествие по историческим “слоям” ее зарождения, где мы познакомимся с главными действующими лицами, “уличенными” в попытках привлечь физику для описания процессов, происходящих в живых организмах (а также обратим внимание на вопиющую несправедливость в конце).

Что такое жизнь?

Зимним днем февраля 1943 года в Тринити-колледже в Дублине (Ирландия) было неожиданно оживленно. Около 400 человек биологов, физиков, студентов и представителей общественности собрались в одной аудитории с нетерпением ожидая начала лекции. Причиной внезапного ажиотажа было выступление “рок-звезды” физики того времени и одного из “отцов-основателей” животрепещущей темы всего 20 века - квантовой механики, Эрвина Шредингера.

Что же могло объединить такую разношерстную компанию в единый интерес?

Причиной была революционная концепция, которую Шредингер готовился представить на своих лекциях: наследственная информация должна храниться в виде сложной молекулы, которая не является простым повторением одних и тех же элементов (как обычный кристалл), а представляет собой своего рода “текст” или “код”.

Последствия этих лекций сложно переоценить. Они стали причиной кардинальных изменений науки, сильно повлиявших на жизнь в то время и влияющих до сих пор. Вдохновившись идеями Шредингера Френсис Крик и Джеймс Уотсон сменили свой фокус внимания с физики на биологию и “потерпели” сокрушительный успех. В 1962 году им была вручена Нобелевская премия за открытие структуры ДНК.

Книга “Что такое жизнь” Эрвина Шредингера, написанная в результате тех лекций, стала на долгое время настольной книгой многих ученых, сплотив их идеей объединения физики и биологии для достижения универсального знания о жизни, а также отправной точкой для академического признания Биофизики как отдельной науки.

Монстр Франкенштейна

Шел 1780й год. В одном из главных научных центров 18го века - в городе Болонья в Италии, в домашней лаборатории у стола с лягушкой находился асситент, готовый продолжать препарирование. Рядом стояла электрическая машина. Поймав электромагнитную волну от ее искры, скальпель в руках асистента сработал как антена и внезапно “оживил” лягушку: она задергалась.

Луиджи Гальвани, находившийся в той лаборатории, был поражен: лапка мертвой лягушки сокращалась так, будто она была жива. Повторив этот эксперимент с молнией и электрической дугой Гальвани сделал вывод: электричество заложено внутри самого живого организма.

Позже, заменив лягушку картоном, смоченным в соленой воде, Алессаандро Вольта изобрел Вольтов столб. А Гальвани, благодаря своим экспериментам, стал отцом электрофизиологии.

О движении животных

На дворе 17й век. Эпоха Научной революции уверенно идет к своей кульминации. Новый аналитический метод metodo risolutivo Галилея захватывает все новые умы ученых. Продолжается упорное противостояние ятрофизиков и ятрохимиков. Ятрохимики видят всех живых существ сутью химии, для ятрофизиков же организм не что иное, как “физическая” машина.

Одним таким убежденным ятрофизиком был итальянский врач Джованни Альфонсо Борелли. В его представлении скелетная система человека представляет собой сложную систему механических рычагов, где кости и выполняют роль рычагов, суставы служат точками опоры (шарнирами), а мышцы и сухожилия выступают в роли силовых тяг.

Борелли первым математически рассчитал, как центр тяжести человека смещается при ходьбе, беге и прыжках. Распространив физику на внутренние органы и объяснив работу сердца как сокращение мышечного насоса, а процесс дыхания - как чисто механическое расширение грудной клетки под действием мышц, он создал труд “О движении животных” (De Motu Animalium), вышедший посмертно в 1681 году, став основателем биомеханики в ее классическом научном понимании.

О венозных клапанах

Отправимся в эпоху Возрождения. Перед нами Падуанский университет (Италия) - “интеллектуальное сердце” Европы того времени, где веяла научная вольность и свобода от страха инквизиции.

Здесь препродавал математику и физику уже упомянутый ранее Галилео Галилей. Здесь же его друг и по совместительству личный врач Иеронимус Фабриций, находясь под влиянием идей Галилея, неустанно искал универсальные инженерные решения природы. Если Галилей изучал падение тел и движение маятника, то Фабриций исследовал рычаги скелета и сопротивление среды (воздуха при полете птицы или воды при плавании рыбы).

Чтобы понять физику органов, Фабриций проводил множество различных опытов: препарировал глаза быков, чтобы понять преломление света, изучал плод в яйце курицы, пытаясь найти “первичный двигатель” жизни, а также, организовав за свой собственный счет первый постоянный анатомический театр в Падуе, демонстрировал механику голоса, разрезая гортань объекта аутопсии и выдувая в нее воздух через трубочку, имитируя поток воздуха. Фабриций первый правильно определил оптические центры преломляющих поверхностей глаза и верно расположил хрусталик ближе к передней части, но из-за слепой веры в авторитет Галена (трудами которого вдохновлялся), так и не смог придти к тому, что глаз работает как камера-обскура, а изображение фокусируется именно на сетчатке глаза, т.к. Гален считал сетчатку “простой питательной средой”. Так родился труд “О зрении, голосе и слухе” (De Visione, Voce, Auditu, 1600).

В 1604 году в трактате “Дополнения к Витело” (Ad Vitellionem paralipomena) Иоганн Кеплер исправил главную ошибку Иеронимуса Фабриция и вернул сетчатке статус важного элемента зрения. Он доказал, что именно сетчатка (а не хрусталик) является истинным органом восприятия, на котором фокусируется перевернутое изображение.

Но знаковой и революционная стала его работа “О венозных клапанах” (De Venarum Ostiolis), опубликованная в 1603 году. До Фабриция считалось, что кровь просто “приливает и отливает” по венам, как приливы в океане. Фабриций же обнаружил внутри вен рук и ног маленькие перепонки-клапаны, которые он назвал “дверцами” (ostiola), которые всегда открываются в одну сторону и закрываются в другую. Он рассматривал орган как механический затвор. Книга превратила анатомию из простого описания “мяса” в изучение “живых механизмов”.

От живописи к сердцу

Заглянем в 16 век в мастерскую Верроккьо во Флоренции. Там трудится за мольбертом хорошо знакомый многим итальянец. Художник наносит штрих за штрихом и критически осматривает свою работу.

Чтобы достоверно изображать людей, Леонардо да Винчи изучал анатомию, но быстро перешел от исследования внешней формы к стремлению заглянуть в сами “чертежи Бога”. И весь свой жизненный путь следуя любопытству, не признающему границ между искусством и наукой, Леонардо пришел к своему величайшему открытию и труду о гидродинамике сердца.

Применив свои познания о завихрениях воды, да Винчи создал прототип. Он изготовил восковой слепок бычьего сердца, а затем по нему отлил стеклянную модель аортального клапана. Чтобы увидеть, как движется кровь, он запускал в стеклянную модель воду с просяными зернышками (аналог современных трассеров в гидродинамике).Он обнаружил, что в основании аорты возникают вихри (турбулентность). Именно эти вихри, а не просто давление, помогают створкам клапана смыкаться после того, как сердце вытолкнуло кровь.

Лишь в конце 20го века с помощью МРТ физики получили подтверждение тому, что рисунки Леонардо были абсолютно точны. Наброски ученого помогли современным кардиохирургам улучшить методы щадящей пластики сердечных клапанов без искусственного сужения их просвета.

Леонардо да Винчи внес большой вклад не только в изучение сердца, но также и в биомеханику своей работой “Кодекс о полёте птиц” (“Il codice sul volo degli uccelli”, 1505), где, пытаясь исполнить давнюю мечту человечества - летать, он изучал птиц и детально описал физику крыла, плотность воздуха, восходящие потоки и центр тяжести птиц, пытаясь перенести эти законы на летательные аппараты и практически закладывая основы аэродинамики. Но к величайшему сожалению всего человечества, его труды оставались в частных коллекциях и были скрыты от ученых почти 300-400 лет и были обнародованы только в 18-19 вв., что сильно затормозило прогресс науки.

Тот, кто ищет истину

Долгое время для многих ученых (в том числе и для уже знакомого нам Иеронимуса Фабриция) настольной книгой являлся сетитомник “Книга об оптике” (Kitab al-Manazir, ок. 1021 г.). Написал ее арабский ученый Ибн аль-Хайсам (Альхазен). Он стал не только “отцом оптики”, но и одним из основателей научного метода. Восстав против слепого следования авторитетам, он заявил: “Тот, кто ищет истину, не должен изучать труды древних с целью слепо им доверять… Он должен сделать себя врагом всего, что он читает, и атаковать это со всех сторон”.

Поправ древние убеждения в том, что мы видим потому, что глаз испускает “лучи зрения”, Альхазен провел множество экспериментов с фонарями и отверстиями, доказав, что свет распространяется строго по прямым линиям, а глаз - это оптический прибор. В своей работе Альхазен первым описал, что свет попадает в глаз снаружи, а не наоборот и описал преломление света в хрусталике, роговице и стекловидном теле.

О движении животных: оригинал

Почему птицы рассекают воздух, а рыбы - воду? Почему у змеи нет ног, но она передвигается за счет изгибов тела? Почему человеку для шага нужно обязательно согнуть колено?

Этими и другими вопросами еще в 4м в. до нашей эры задавался вдохновитель многих участников нашего сегодняшнего научного “ансамбля”. Леонардо да Винчи, Фабриций, Борелли и другие на протяжении двух тысяч лет последовательно отвечали на вопросы Аристотеля с помощью всё более точных методов физики и математики.

Даже свой главный труд “О движении животных” Борелли назвал в честь одноименного трактата Аристотеля. История этого трактата - это история того, как Аристотель пытался решить одну из главных загадок древней философии: как нематериальная мысль или желание превращается в физическое движение костей и мышц? Это была первая в истории попытка единой теории всего для живых систем.

Аристотель осознал, что движение невозможно в абсолютной пустоте и без опоры. Чтобы оттолкнуться, животному нужна внешняя неподвижная среда - земля, вода или воздух. Если опора скользит, движение прекращается. Затем он посмотрел внутрь организма и понял, что внутри тела тоже должна быть неподвижная точка. Сустав работает как дверная петля: одна его часть движется, а вторая остается неподвижной точкой опоры. И приводят в движение всю эту “биомашину” “психологические импульсы”: животное должно сопровождать желание достичь некой цели. Он заключает, что движение - это результат встречи психологии (желание цели) и механики (наличие опоры и рычагов).

Несправедливость

Как мы видим, биофизика прошла долгий путь от нишевого направления в полноценную область науки, обладающей большим потенциалом объяснить все живое. К сожалению, на Хабре существует несправедливость. Я постоянно вижу этот паттерн, где авторам снова и снова приходится “хабрить” и Биологию и Физику для статей, для которых уже давно сформировалась “одна крыша” - Биофизика. И пока нет никакой возможности искать интересные статьи под одним Хабом.

Без сомнений, “за кадром” осталось еще много великих людей внесших тот или иной вклад в становлении Биофизики. Не стесняйтесь делиться их именами и заслугами в комментариях.

Как зарождалась Биофизика