Методология биофизики

Введем определение следующих терминов: объект биофизического исследования, биологическая система, методика, метод, методология. Биологическая система - совокупность взаимосвязанных определенным образом элементов, отграниченная от окружающей среды и обладающая рядом специфических особенностей, характерных для живого организма: мембранной организацией, наличием дыхания или анаэробного окисления, утилизацией энергии света, биосинтезом веществ, избирательной проницаемостью, активным противоградиентным транспортом веществ через мембрану, делением клеток, биоэлектрогенезом, возбуждением, проведением, сокращением и др.

Для исследования биологического объекта достаточно сохранения им одного или нескольких признаков. При исследовании эритроцитов необходимо сохранение их целостности и способности поглощать и отдавать кислород, при исследовании нервной клетки - сохранение способности к возникновению потенциала действия, мышцы - способности к сокращению и т.д.

Методика (греч. methodiki) - совокупность способов целесообразного проведения какой-либо работы с целью достижения конечного практического результата. В основе методики чаще всего лежит обобщенный практический опыт целесообразной деятельности профессионалов, специализирующихся в определенной области человеческой деятельности.

Для методики не обязательны теоретическая разработка и обоснование. В качестве примера можно привести методики подсчета эритроцитов в камере Горяева, определение рН среды колориметрическим методом, методику работы на фотоколориметре, микрокалориметре, спектрофотометре, ионометре и других приборах.

Метод (греч. methodos - путь исследования, теория, учение) - планомерный путь научного познания и установления истины, способ исследования явлений природы, подход к изучаемым явлениям, трактовке, объяснению, толкованию полученных результатов. В основе метода обязательно лежит научная теория. Иногда сама теория является методом. Так, метод электронного парамагнитного резонанса и ядерного магнитного резонанса основывается на теорий резонансного поглощения энергии переменного электромагнитного поля неспаренными электронами или ядрами атомов вещества. В основе метода полярографии лежит теория отклонения от закона Ома, при прохождении электрического тока через проводник второго рода за счет электрохимических процессов на катоде и аноде; в основе хроматографических методов - учение о взаимодействии атомов и молекул подвижной фазы с молекуламии неподвижной фазы и т. д. Без теории не существует метода.

Термин «методология» имеет тройное толкование, в данном случае рассматривается методология как учение о методе, об объекте исследования, его свойствах, характеристиках, особенностях, о способах и приемах деятельности при исследовании объекта, о путях трактовки и анализа полученных результатов, о методах обработки полученных данных и о выводах, сделанных на основании исследований.

От общенаучной методологии биофизика берет целый ряд положений. Так, если рассматривать организацию и структуру биологического объекта или системы на уровне атомов, молекул, мембран, надмолекулярных комплексов, то для исследования и анализа процессов, явлений не надо привлекать к существующим и познанным физическим и химическим законам еще дополнительные: процессы и явления на этих уровнях можно и должно объяснять с позиций современной физики, химии. Только на уровне организма (одноклеточного и многоклеточного) появляются интегративные специфические процессы и явления как результат совокупности многих биохимических реакций, протекающих одномоментно, что мы и называем физиологической реакцией (сокращение мышцы, проведение возбуждения по нервному волокну, синапсу и т.д.) или биологическим процессом (деление клетки, образование антител, биосинтез органических веществ и др.). На организменном, популяционном, биоценотическом уровнях организации биологические объекты рассматриваются как продукт предшествующих химической, предбиологической и биологической эволюции. Организация и функционирование их подчиняется не только законам физики и химии, которых недостаточно, но и биологическим законам.

Общенаучная методология предусматривает трактовку результатов, выводов, полученных на основании конкретных результатов, не как абсолютных, а как относительных, справедливых только для данного момента в свете существующих представлений и законов. Полученная истина не абсолютна, а относительна.

Для биофизических исследованиях биополимеров (белков, нуклеиновых кислот), мембран, рибосом, хлоропластов широко используют такие методы, как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), рентгеноструктурный анализ, специальные методы спектрофотометрии, метод радиоактивных изотопов и др. Вместе с тем, для наблюдения за поведением одноклеточного и многоклеточного организмов можно использовать световой микроскоп, а иногда достаточно и визуального наблюдения. Данные, полученные на атомном, молекулярном, надмолекулярном уровнях при помощи сложной и дорогостоящей аппаратуры, значительно проще интерпретировать с позиций физики и химии, а результаты, полученные при помощи более простых методов на уровне физиологических систем, органов, целого организма, могут быть объяснены с разных точек зрения. Любой организм дуалистичен: с одной стороны, он представляет собой продукт химической, предбиологической и биологической эволюции, детерминированный в силу генетических закономерностей по ряду показателей (вес, рост, срок жизни, структура и функиции органов и т.д.), а с другой стороны, поведение каждого конкретного биологического объекта является в данный момент времени вероятностным, и зависит во многом от индивидуальности данного организма и реальных условий, в которых он находится. Так как в науке не существует универсального метода исследования, то каждое явление, каждый процесс, каждый объект требует для своего изучения различных методических подходов, с тем, чтобы полученные результаты дополняли, уточняли друг друга, чтобы была возможность для устранения случайных колебаний параметров, артефактов, ошибок.

Каждая самостоятельная наука должна отвечать трем обязательным требованиям: иметь собственные цели и задачи, собственный объект (объекты) исследования, собственные методы исследования.

Объектами исследования в биофизике чаще всего служат биополимеры и другие биологически важные молекулы, субклеточные комплексы, ткани, органы. Однако ученые проводят исследования на организмах и биосферные исследования, начала оформляться экологическая биофизика.

На ранних этапах становления биофизики для изучения фундаментальных процессов использовали не только идеи физики, физические подходы, но и физические методы, которые приспосабливали, модернизировали для изучения биологических процессов и явлений. Так было с методами определения вязкости биологических жидкостей, поверхностного натяжения клеток, измерения электрических потенциалов в растительных и животных организмах для исследования биологических явлений и процессов. Позднее были использованы различные оптические и спектрометрические методы, начиная от фотоколориметрии и кончая методами ЭПР, ЯМР, гаммарезонансной спектрометрии и др.

В отличие от классических биологических наук (ботаники, зоологии, физиологии, микробиологии и др.), биофизические исследования стоят ближе к физическим, но имеют ряд особенностей. Они требуют:

- построения рабочей гипотезы при проведении исследования;

- выбора из нескольких методов и методик оптимальных и адекватных;

- учета взаимодействия орудия исследования с объектом исследования;

- учета конечного срока функционирования биологического объекта (органа, клеток, митохондрий, мембран, молекул ДНК, белка в растворе и др.);

- стремления проводить количественные измерения характеристик, состояния исследуемого объекта;

- максимального использования графической регистрации с последующей математической обработкой результатов, применением ЭВМ;

- стремления автоматизировать исследования и включить ЭВМ в управление ходом эксперимента;

- широкого использования метода моделирования как реального (вещественного), так и идеального (математического).

Современный биофизический метод характеризуется: теоретическим обоснованием принципа, информативностью, воспроизводимостью результатов от идентичного объекта при соблюдении тех же условий, достоверностью изучаемых результатов, достаточной точностью, быстродействием.

Получаемые при помощи любых биофизических методов данные не могут считаться абсолютно достоверными, истинными. Их следует признать справедливыми для конкретных объектов и конкретных условий существования биологического объекта и проведения эксперимента. Признание относительной истинности полученных результатов заставляет биофизиков перепроверять полученные данные, использовать различные методы для более полной оценки исследуемого объекта. Биофизик должен быть постоянно готов к восприятию новых положений и идей в свете получаемых новых результатов. Гипотеза становится рабочей только тогда, когда она может быть проверена экспериментально. Если гипотеза, как бы она ни была привлекательна, не может быть проверена в эксперименте в настоящее время или в ближайшем будущем и если ее обсуждение не приводит к выработке рабочей гипотезы, то она получает название спекулятивной.

Особенности биологического объекта:

- высокая химическая структурная и функциональная гетерогенность;

- высокая интеграция сотен биохимических реакций;

- опосредованность физиологических реакций, биологических процессов, жизненных функций, влияния физических и химических воздействий через биохимические превращения;

- необходимость поддержания постоянства ряда физико-химических показателей внутренней среды на определенном уровне (рН, температуры, солевого состава, ионной силы, газового состава и др.).

Предбиологическая эволюция продолжалась миллиарды лет в условиях мощного ультрафиолетового солнечного излучения, электрических разрядов, что явилось причиной абиогенного происхождения ряда аминокислот, нуклеотидов, углеводов, альдегидов, спиртов, а затем белков и нуклеиновых кислот. Предбиологическая эволюция закончилась образованием ферментов, биологических мембран, генетического кода, фотосинтетического аппарата клеток.

Определяющим фактором химической и предбиологической эволюции служило изменение энергии, приводящее многократно к образованию нового, более устойчивого соединения, что было связано с уменьшением общей энергии системы. Энергия двух простых исходных молекул или частиц всегда была больше, чем энергия образованной молекулы или димера.

Биологическая эволюция определялась естественным отбором наиболее приспособленных к реальным условиям индивидуумов в борьбе за обладание свободной энергией в различных экологических нишах.

Самым удивительным результатом развития современной биологии явилось доказательство общности основных, фундаментальных процессов, протекающих на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях, для всего живого на Земле, независимо от места, занимаемого каждым организмом в эволюционном ряду.

Что есть жизнь? Существует ли носитель жизни? Что такое живой организм? Можно ли назвать молекулы живыми?.. Эти и другие подобные вопросы неизбежно возникают при попытке определить понятие «жизнь».

Всем известно определение жизни, данное Ф.Энгельсом в «Диалектике природы»: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь...». Такое определение базировалось на данных науки прошлого столетия.

Всякое определение отражает состояние науки на конкретном этапе ее развития и неминуемо должно измениться с получением новых данных, т.е. оно справедливо только для данного уровня развития науки. Среди многочисленных определений жизни, принадлежащих разным ученым, преобладали функциональные определения. Так, еще Лавуазье писал, что «жизнь - это химическая функция». А.Г.Пасынский утверждает: «Жизнь - это способная к самовоспроизведению (белковая) открытая система», - но он ничего не говорит об организации, свойствах этой системы.

Один из ведущих российских генетиков, академик Н.П.Дубинин пишет: «Исходя из фактов, можно сказать, что жизнь на Земле - это интегральное существование ДНК, РНК и белков в форме индивидуализированных личных и видовых, целостных, структурно - биохимических, саморегулирующихся открытых систем со свойствами воспроизведения исторически развивающихся форм генетической информации».

В определении жизни, данном Н.П.Дубининым, мы встречаемся уже с новыми понятиями, такими как ДНК, РНК, открытая система, генетическая информация. В этом определении учитываются достижения науки последних десятилетий, но снова ничего не говорится о структурной организации открытой системы, ее основных свойствах (указывается только на свойство воспроизведения).

Если перейти к характеристике и анализу свойств жизни, нужно обратить внимание на следующее определение Дж. Бернала: «Жизнь есть частичная, непрерывная, прогрессирующая, многообразная и взаимодействующая со средой самореализация потенциальных возможностей электронных состояний атомов».

Живой системой может быть только такая, которая состоит из белков, нуклеиновых кислот (НК), включающих в себя ДНК и РНК, липиды, углеводы, их комплексы (белково-липидные, белково-нуклеиновые и др.), соли, воду. Хотя во всех без исключения организмах количественно преобладает вода, но определяющими являются белок, НК, их комплексы. Вода может составлять 96-98% массы тела, как, например, у медузы. Упоминать в определении жизни наличие только белка было бы в настоящее время недостаточным и неточным. Без НК прекратился бы синтез белка, стала невозможной передача по наследству основных свойств. В скором времени такая система перестала бы существовать. Если мы хотим трактовать жизнь как способ существования определенных веществ, то необходимо указать на наличие белков, НК, липидов и других веществ.

Для того чтобы система была живой, необходима ее определенная организация, определенная структура, определенная интеграция. Такой единицей, обладающей минимальными структурой и организацией, следует считать клетку. Только клетка в состоянии обеспечить необычайную интеграцию различных органических реакций. Длительное существование биополимерной системы немыслимо без постоянного притока энергии и веществ из окружающей среды и выведения из этой системы деградированных продуктов с обеспечиванием ее необходимой энергией.