Лекция 2. БИОФИЗИКА XVIII ВЕКА — НАЧАЛО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Конец XVII в. знаменуется фундаментальными достижениями
механики, связанными с именем И. Ньютона. В 1637 г. были,
опубликованы знаменитые «Математические начала натуральной философии», сыгравшие огромную роль в формировании ее естественнонаучного мировоззрения. После основополагающих работ Ньютона гипотетические построения картезианской физики
постепенно утрачивают свою привлекательность. Усиливается
тяга к эмпирическому знанию. Лозунгом этого периода стано-:
вится ньютоновское «гипотез не изобретаю». Основным мето-
дом познания становится индукция.

В этот период в физике формируется и развивается целый
ряд физических дисциплин: динамика твердого тела и жидкости, учение о газовых состояниях, физика тепловых явлений, фотометрия, основы учения об электричестве. Совершенствуется
на базе дифференциального и интегрального исчисления мате-
матический аппарат физики. Создается все более разнообразная
и высокочувствительная измерительная техника. В основу"фи-
зической теории кладутся принципы и законы сохранения, следствия из которых проявляются в многочисленных эксперимен-
тах.

Биология в этот период еще не столь специализирована, как физика, но круг ее интересов неизмеримо шире, чем во времена Гарвея и Декарта. Закладываются основы систематических знаний в различных направлениях науки о живой природе.

Благодаря тщательному изучению флоры и фауны. Европы

и прочих частей света накопленный материал стал к началу XVII в. почти необозримым. Обработка этого материала, становилась все труднее, необходима была его систематизация. Эту задачу успешно решил К.Линней, положив начало научной
систематике флоры и фауны. Ж. Бюффон издал многотомную
«Естественную историю», где выдвинул прогрессивную идею об
изменчивости, видов. Работами К. Ф. Вольфа положено начало
эмбриологии и биологии индивидуального развития. Развивается сравнительная анатомия. Получила дальнейшее развитие физиология человека и животных. Закладываются основы физиологии растений.

Как же складывались в этот период взаимоотношения меж­ду физикой и биологией?

Биомеханика, родоначальником которой считается Борелли, получила дальнейшее развитие. Это было связано не только с тем, что механическое описание движения животных и их оргаI нов позволяло глубже понять характер, этого движения, но и,главным образом, с развитием физических представлений о ме­ханическом движении. В XVIII в. наряду с чисто кинетическими принципами физики (Декарт) и динамическим направлением, поставившим в центр механики понятие силы (Ньютон), по­явилось третье направление, связанное с именами Гюйгенса и Лейбница. Это направление выдвинуло в качестве центрального понятия механики произведение массы на квадрат скорости mv² (в 1829 г. Карнолнс разделил mv² пополам л выражение j кинетической энергии приняло современный вид). Такое произ­ведение, фигурировавшее в качестве лейбницевской меры дви­жения и противопоставленное картезианской мере — произве­дению массы на скорость mv (т. е. количеству движения), бы­ло названо живой силой.

Понятие живой силы коренным образом отличалось и от ньютоновской силы. Оно оказалось чрезвычайно плодотворным для физической теории и позволило описывать движение не только твердых, но и жидких тел. Уравнения этого движения были найдены Д. Бернулли.

Среди тех, кто успешно использовал достижения механики для описания биологических процессов, был Л. Эйлер (1707— Вслед за кинетическими разработками Борелли Эйлер заложил основу еще одной ветви биомеханики движения биоло­гических жидкостей, центральной проблемой которой является гемодинамика. Эйлер был одним из ученых-универсалов. Его универсализм опирался на виртуозное владение методами мате­матического анализа, в равной степени эффективного и в судо­строении, и в баллистике, и в музыкальной гармонии.

Универсалом иного типа был М. В. Ломоносов (1711 — 1765). Образование в XVIII в. оставалось натурфилософским, т. е. оно готовило естествоиспытателей, не ориентируя их на какую- либо определенную область. Получивший такое образование сам определял круг своих интересов, сообразно своим склонностям. Ломоносова по его многогранной деятельности можно отнести к высшему выражению универсального естествоиспытателя. Многие из высказанных им суждений содержат элементы предвидения. По объективность требует сказать, что ни одно из своих прозрений Ломоносов не довел в духе ньютоновского гипотез не изобретаю» до экспериментально доказанного положения. Картезианская умозрительность не была изгнана из вы­сказываний Ломоносова: «Все перемены, в натуре случающие ся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупляется к другому; движущееся своей силой тело столько же от себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает...» Здесь намек на законы сохранения (массы, количества движения, энергии), но j не более. В таком же картезианском духе Ломоносовым высказываются суждения о природе цветного зрения, вкусовых и обо нятельных ощущениях.

В первой половине XVIII в. закладываются основы физиоло­гии растений. И здесь, так же как и в прошлом веке в физиологии животных и человека, исключительно важную роль сыграло применение физических идей и методов исследования. Первым применил количественные методы физики к растениям английский ученый С. Гейлс (1677—1761). В своем главном труде «Статика растений» (1727) Гейлс исходит из предположения о существовании в растениях процессов, аналогичных то­му, что имеет место в организмах животных. Так, открытие Гарвеем кровообращения ставило вопрос, не происходит ли в растениях нечто подобное. На этот вопрос Гейлс пытался ответить экспериментально. Метод, который исследователь впервые применил к изучению растений, заключался в вычислении, из­мерении и взвешивании. Гейлс прежде всего старался опреде­лить количество жидкости, впитываемой растениями из почвы и выделяемой потом путем испарения через листья. Затем он предпринял определение всей поверхности подземных и надзем­ных частей растения. Так, он обнаружил, что одного испарения недостаточно для объяснения процесса всасывания, и пытался выяснить природу этих дополнительных сил для восходящего потока жидкости. Таким образом, Гейлс положил начало пер­вому из направлений физиологии растений — физиологии мине­рального питания и транспорта веществ. Целый ряд методоло­гических приемов Гейлса был в дальнейшем взят на вооружение физиологами.

Наиболее выдающейся фигурой второй половины XVIII в, сыгравшей важную роль в развитии биофизики и физиологии был французский физик и химик А. Лавуазье (1743— 179-Г; В его биографии [3] целая глава «Физика и химия жизненных процессов» посвящена экспериментам Лавуазье с животными. Эти замечательные опыты являют образец удивительного согла­сия между идеей и ее экспериментальной проверкой. Как тог­да, так и сейчас можно встретить немало экспериментальных работ в биологии, единственным мотивом которых является; желание посмотреть, что из этого получится (например, что бу­дет, если семена облучить лазером или доить коров под музы­ку). Наука отнюдь не отвергает подобных опытов. Но, как за­метил Л. Пастер, «случай благоприятствует подготовленному уму». Лавуазье всегда знал, на какой вопрос он хотел бы по­лучить экспериментальный ответ, и умел находить условия для такого эксперимента.

В работах Лавуазье было показано, что дыхание животных замещает вдыхаемый кислород при выдохе углекислым газом. Этот факт навел его на мысль, что процесс дыхания аналогичен процессу медленного горения; тогда было уже известно, что при горении поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Отсюда вытекало предположение, что процесс дыхания служит источником тепла для животных организмов (вспомним предположение Декарта, что тепло является тем, что поддержи­вает жизнь животных).

Экспериментальная реализация проверки этой идеи была осуществлена в опытах, проведенных совместно с П. Лапласом (1749-1827), выдающимся французским астрономом, матема­тиком и физиком. Результаты опытов были изложены в мемуаре «О теплоте» (1783).

Морскую свинку помещали под колокол пневматической ус­тановки, заполненной атмосферным воздухом, и определяли ко­личество углекислого газа, выделяемого животным в течение 10 часов. Затем морскую свинку помещали в ледяной калори­метр, и по весу растаявшего льда определялось количество теп­лоты, выделенное животным в продолжение тех же 10 часов. В ледяном калориметре измеряли теплоту образования углекис­лого газа при сгорании угля, эквивалентную тому, что выделяла морская свинка. Учтя все погрешности опыта, исследователи пришли к заключению, что «тепло, выделяющееся при превра­щении чистого воздуха (кислорода. — И. Р.) в связанный воз­дух (углекислый газ. — И. Р.) посредством дыхания,является главной причиной сохранения животного теплa... Значит, дыха­ние есть горение, правда медленное, но все же вполне подобное горению угля... Таким образом, воздух, которым мы дышим, служит двум целям, одинаково необходимым для нашего сохра­нения: он удаляет из крови основу углекислоты, избыток кото­рой был бы весьма вредным, а тепло, которое это соединение передает легким, восстанавливает непрерывную потерю тепла, вызываемую атмосферой и окружающими телами. Метод, при­ведший нас к этому результату, — заключают Лавуазье и Лап­лас,— не зависит ни от какой гипотезы, и в этом его основное преимущество». Замечательный пример высокопрофессиональ­ного владения культурой эксперимента!

В конце мемуара авторы ставят вопрос: почему же в разных условиях животные сохраняют примерно одну и ту же темпе­ратуру? Они высказывают предположение, что это объясняется двумя факторами: испарением влаги с поверхности тела и пе­редачей тепла от легких к конечностям животного. Авторы от­мечают, что для более глубокого понимания этой стороны вопро­са придется подождать, пока «анализ, разъясненный большим количеством опытов, позволит нам узнать законы распростра­нения тепла в однородных телах и законы его перехода между разнородными телами». Постановка проблемы для дальнейших исследовании—еще одна черта, характерная для добротной экспериментальной работы. Ответ на один вопрос должен поро­ждать новые вопросы.

В 1785 г. Лавуазье выступает в Медицинском обществе с до­кладом об «Изменениях, которые испытывает выдыхаемый воз­дух». С присущим для него стремлением найти установленным научным данным практическое применение, он утверждает: «По­скольку атмосферный воздух может поддерживать жизнь вды­хающих его животных лишь в продолжение определенного вре­мени, так как он изменяется по мере дыхания, можно заклю­чить, что в зрительных залах, в местах публичных собраний, в палатах госпиталей, во всех местах, где собирается большое ко­личество людей, здоровое состояние воздуха должно более или менее ухудшаться, в особенности, если воздух в них циркули­рует медленно и с трудом».

Далее Лавуазье продолжил физиологические исследования вместе со своим учеником Ж. Сегэном. Результаты этих иссле­дований собраны в двух статьях: «Первый мемуар о дыхании животных» (1789) и «Первый мемуар о транспирации живот­ных» (1790). Статью о дыхании авторы начинают с обзора те­ории дыхания. Против этой теории, отмечают они, можно было бы возразить: никакими опытами не показано образование уг­лекислоты непосредственно в легких в процессе дыхания или во время циркуляции крови. «Возможно, что часть этой углекис­лоты образуется при пищеварении, что она вносится в циркуля­цию вместе с химусом, что, достигнув легкого, она выделяется, из крови по мере того, как кислород соединяется с кровью, имея к последней большее сродство». Излагая эти воззрения Лавуазье и Сегэна 100 лет спустя, И. М. Сеченов сказал: «Под последними строками подписался бы всякий современный физи­олог».

Лавуазье и Согэн обнаружили, что дыхание учащается во время пищеварения, «движение и волнение увеличивают этот эффект». В этой связи исследовалась зависимость количества выдыхаемого кислорода от величины механической работы. Математической формулировки понятия «механическая работа» тогда еще не было, но в технике уже фактически учитывали работу паровых машин, отмечая величину груза и высоту его подъема. Лавуазье и Сегэну удалось впервые установить зако­номерную зависимость между количеством вдыхаемого кислоро­да, частотой пульса и выполняемой механической работой. В учебниках физиологии уже в нашем веке можно встретить весьма показательную таблицу (табл. 1) составленную по данным Лавуазье и Сегэна, причем отмечалось, что она находится в полном согласии с современными данными. Зная эти закономерности, можно было по пульсу и дыханию определить меха­ническую работу, выполненную человеком. «Данный метод на­блюдений,— говорил Лавуазье, — приводит к возможности срав­нения между собою таких применений силы, между которыми, казалось, нет никакой связи. Можно определить, например, скольким фунтам в весе соответствуют усилия человека, произ­носящего речь, или музыканта, играющего на инструменте. Можно было бы даже оценить то, что составляет механическую часть в труде размышляющего философа, пишущего литерато­ра, композитора, сочиняющего музыку. Указанные явления, рассматриваемые обычно как чисто духовные, имеют нечто, физическое и материальное­ что и позволяет в этом отно­шении сравнивать их с тем, что выполняет чернорабо­чий ([3], с. 240).

Отдавая дань революци­онной эпохе (это было но время французской револю­ции), Лавуазье и Сегэн де­кларируют гражданствен­ность своих исследований: «Ограничимся благослове­нием философии и че­ловечества, объединяющих­ся друг с другом, чтобы дать нам мудрое устройст­во, которое сможет приблизить нас к равенству состо­яния,

повысить цену труда и обеспечить ему справедливое воз­награждение, предоставить всем классам общества, и особенно­сти неимущим классам, больше радостей и больше счастья» (с. 242). Согласимся, что эта декларация в духе принципа «каж­дому по труду» не утратила своей актуальности и в наше время.

В мемуаре «О транспирации животных» Лавуазье и Сегэн пишут: «Животная машина управляется тремя главными ре­гуляторами: дыханием, которое заключается в медленном сгopании в легком или в других местах тела некоторой части углерода и водорода крови и развивает теплоту, абсолютно необхо­димую для поддержания температуры тела; транспирацией (испарение с поверхности тела.—И.Р.), которая, способствуя выделению тепла в окружающую среду и производя этим не­прерывное охлаждение тела, препятствует повышению его темперутары за пределы, положенные природою; пищеварением, которое, снабжая кровь водой, углеродом и водородом, возвра­щает машине то, что она теряет при дыхании и транспирации, и выбрасывает затем наружу посредством выделений те веще­ства, которые вредны и излишни»([3], с. 2-12).

«В этом перечне главных жизненных функций, — комменти­рует Сеченов, — недостает только одного пункта — работ, про­изводимых животным телом за счет сгорания углерода и водо­рода крови. Тогда перечень был бы совсем полным. Но пункт этот, как известно, стал выясняться на целое полстолетие поз­же» (Сеченов П. М. Заслуги Лавуазье в биологической области//В память Лавуазье. М., 1894).

Выступая в день столетия смерти Лавуазье с оценкой его биологических трудов в Московском университете, Сеченов на­писал (см. ссылку выше): «В настоящее время все сделанное Лавуазье кажется донельзя простым, но не следует забывать, что он создавал звенья этого простого целого вновь, сталкива­ясь по временам с ложными воззрениями своего времени, и по­тому вынужденный проверять опытом каждый новый шаг в произведенной стройной цепи умозаключений. Сделать это мог только человек с умом, глубоко проницательным, точным и прямолинейным. Ему больше, чем кому-либо, принадлежит великая заслуга систематического приложения физико-химических способов исследования к области биологии» (выделено нами.—И.Р.)

Ту же мысль высказывает К. Л. Тимирязев: «С той поры, как Дыхание,—эта, казалось, сущность жизни, — было сведено ге­нием Лавуазье па химико-физический процесс, витализму был нанесен роковой удар... Можно сказать, что вес блестящие успе­хи физиологии были тесно связаны с распространением на нее и нередко талантливым усовершенствованием (в применении к ее более сложным и более топким задачам) экспериментальных методов физики и химии» (Соч. М., 1937—1940. Т. 5. С. 171).

Высказывания Сеченова и Тимирязева однозначно свиде­тельствуют, что вклад Лавуазье в физиологию есть не что иное, как биофизика в точном соответствии с ее сегодняшним пони­манием.

Мы должны извиниться перед читателем за столь обильное цитирование. Но оно нам представлялось необходимым для большей убедительности тезиса, который мы уже высказали по поводу роли биофизики а становлении физиологии. В очерках по истории физиологии причастность физики и физиков к гене­зису этой науки затушевывается (см., например, статью «Физиология» в Большой советской энциклопедии). Так, при упо­минании имени Декарта отмечается предложенный им рефлекторный принцип деятельности организма, но не указывается на значение провозглашенных им идеи в развитии естествознания в том числе физиологии. А это главное. В отношении Лавуазье сообщается, что он «пытался... приблизиться к пониманию дыхания», но не говорится, что фундаментальные работы Лавуазье легли в основу физиологии дыхания биоэнергетики жи-
вотных организмов. И совсем уж в искаженном виде представляется открытие биоэлектрических явлений. Во многих учебниках по физиологии в статьях Большой Советской Энциклопедни «Физиология» и «Биофизика» утверждается, что «животное электричество» открыл итальянский анатом Л.Гальвани (1737—1798). В этом утверждении не только явная ошибка-
Гальвани не открывал «животного электричества»,—но несправедливость умолчания имени итальянского физика А. Вольты (1745—1827), который сумел понять и объяснить, что открыл Гальвани, и этим в немалой степени способствовал увековечению имени последнего в физике. Рассказом об этом поучительном во многих отношениях эпизоде мы и хотим завершить обзор истории биофизики XVIII в.

Драматическая дискуссия двух выдающихся итальянцев, продолжавшаяся несколько лет и завершившаяся в пользу Вольты,—яркий пример не только борьбы, научных идей (что само по себе чрезвычайно интересно), но и той оплодотворяющей роли, которую сыграла физика в зарождении еще одного направления физиологии.

Открытие Гальвани произошло в то время, когда представления о статическом электричестве достигли значительного уровня развития. Э.Дюбуа-Реймон написал по этому поводу сонет со словами «ведь ей, а не тебе, в разрезанной лягушке заметить удалось остатки уходящей жизни». Мы остановимся в этой истории, ес­тественно, лишь на самых существенных моментах.

Результаты своих опытов Гальвани изложил в 1791 г. в ме-муаре «Комментарии о силах электричества при мышечных дви­жениях». Автор делал вывод: животными организмами движет электричество. Пренебрегая заветом Ньютона «гипотез не изоб­ретать», Гальвани в духе картезианских умозаключений утвер­ждал: «Электрический флюид приготовляется силою мозга и извлекается из крови, он вступает в нервы и протекает.внутри них, полых, как трубочки» ([4], с. 173).

Гальвани не знал физики и методы физических исследований ему были незнакомы. Он был медиком-анатомом. Защитил дис­сертацию по строению костей, преподавал медицину, заведо­вал кафедрой практической анатомии, затем акушерства и ги­некологии. Интерес его к электричеству был данью тогдашней моде — в электричестве многие в те времена искали панацею от различных недугов, своего рода философский камень здоровья и даже бессмертия. Поэтому, когда нужно было сделать выбор между трезвой аргументацией Вольты и искушением принять желаемое задействительное, Гальвани выбрал последнее.

Правильное объяснение того, что установил Гальвани, было дано Вольтой, который проявил большую настойчивость в поис­ках истины. Многократно повторив и усовершенствовав физи­ческую сторону опытов Гальвани, он пришел к фундаменталь­ному заключению (сформулируем его в современной физической терминологии): в цепи, состоящей из разнородных проводников включая и животную ткань, возникает контактная разность потенциалов, которая и является причиной раздражения живетных объектов, являющихся лишь чувствительными индикаторами электрического воздействия.

Практическим шагом из этого заключения было создание
вольтова столба—батареи, соединенной из пластинок разнородных металлов, с помощью которой стало возможным получать электрический ток. В письме в Лондонское королевское общество Вольта сообщает: «Два металла гонят электричество везде,где бы их ни приложить: тело или провод, вода или влажный ковер». Последствия этого открытия Вольты для физики
"известны и по достоинству оценены. Но из того же заключения
следовал первостепенной важности для физиологии вывод о
том, что электрический ток может быть использован в качестве
раздражителя при изучении всех возбудимых органов и тканей
животных. Причем физики, и, в первую очередь, Вольта уже практически сделали все необходимое, чтобы приступить к изучению количественных соотношений между раздражением и возбуждением. Справедливости ради следует сказать , что Гальвани сам почувствовал эту перспективу. Он был первым кто обнаружил существование нижнего порога электрического раздражения, утомляемость животного, 'препарата при длительном воздействии электрического раздражения и способность этого препарата к самовосстановлению. Все эти и многие
другие стороны возбуждения стали предметом обстоятельного
учения в XIX в.

Завершая рассказ о рождении одного из самых значительных направлений...физиологии.—электрофизиологического, позволим себе высказать мнение: у истоков этого, направления стоял не один медик-анатом Гальвани, а два естествоиспытателя—другим был Вольта.

Первым, кому удалось наблюдать настоящее «животное электричество», был физик К. Маттеуччи (1837). Это стало возможным лишь после .того, как были созданы чувствительные гальванометры. Маттеуччи наблюдал разность потенциалов между поврежденной и неповрежденной тканью, т. е. потенциал повреждения.

Итак, в XVIII. в. получила дальнейшее развитие следующая тенденция: физика своей теорией и экспериментальной техникой закладывала фундамент родственной ей области биологии-физиологии. Этот позитивный процесс завершился в XIX в., когда физиология (животных и растений) дифференцировалась на ряд направлений (физиология сенсорных систем, нервной деятельности, дыхания, пищеварения, кровообращения, внутренней секреции и др.), в каждом из которых сформировалась своя проблематика, к разработке которой физиологи стали привлекать те или иные физико-химические методы. Задачи же биофизики остались теми же самыми: изучение физических свойств биологических объектов и процессов.

Лекция 3.БИОФИЗИКА XIX ВЕКА —ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

Как мы уже могли убедиться в предыдущих лекциях, воз­можности биофизики определяются уровнем развития физичес­кой теории и эксперимента. XIX в. представляет нам в этом от­ношении обширнейший материал. Мы не сможем. назвать все сколь-нибудь значительные имена и факты из области биофи­зических исследований, поскольку это потребовало бы не лек­ционного обзора, а целой книги, которая, будем надеяться, когда нибудь будет написана. Биофизическое направление, как и его «родители» биология и физика, стало многоотраслевым, и мы будем считать задачей этой лекции дать характеристику ос­новных ответвлений биофизических знаний.

В XIX в. классическая (доквантовая) физика вступила в по­ру своей зрелости. Были установлены и четко сформулированы основные законы механики, термодинамики, электродинамики, оптики и разработан мощный аппарат теоретической, физики, который сделал физическую дедукцию столь же эффективным методом познания, как и физический эксперимент. Сработал гегелевский закон отрицания отрицания: рационализм Декарта, не обеспеченный эмпирическими данными, был вытеснен затем индуктивным методом Ньютона и произошло новое диалектичес­кое отрицание — образовался органический сплав эксперимента и теории, индуктивного знания и дедуктивного мышления.

Существенный шаг вперед сделала биология. Оставаясь в це­лом описательной наукой с натуралистическим уклоном, биоло­гия перестает быть только собирательницей фактов и все более переходит к экспериментальным методам познания. Появляют­ся первые биологические теории (клеточная теория, эволюционное учение и др.), возникают новые научные направления (пале­онтология, эмбриология, микробиология, биохимия и др.).

Так же, как и в предыдущем веке, биофизика тесно перепле­тается с физиологией, но уже не только с ней. Со своей сторо­ны, физиология перестает быть «иждивенкой» физики. Она ста­новится самостоятельной отраслью биологии со своей научной проблематикой и понятийным аппаратом. В этом качестве фи­зиология формулирует задачи, к решению которых привлека­ются физико-химические методы, но выступающие уже как ме­тоды физиологического эксперимента. Собственно же биофизи­ка продолжает "решать присущие ей задачи физики живого и ис­пользовать для этого достижения физических наук.

В основу термодинамики положены два начала, открытые и сформулированные в XIX в.

Приоритет открытия первого начала термодинамики принад­лежит немецкому врачу Р. Майеру (1814—1878). Занимаясь профессиональной врачебной деятельностью, Майер пришел к идее об эквивалентности тепла и механической работы не из логики экспериментальных открытий физики (а такие данные уже существовали), а совсем необычным путем, чем-то напо­минающим легенду о ньютоновском яблоке, — во время плава­ния в качестве корабельного врача. Старый рулевой рассказал ему, что море нагревается после бури. Ухаживая за больными матросами, Майер обнаружил, что в тропиках венозная кровь светлее, чем в средних широтах. Отсюда Майер заключил, что при высокой температуре воздуха окисление, создающее необхдимую для организма теплоту, меньше, и поэтому углекислоты в крови также меньше. «Именно в этот момент,— рассказывал Майер,—меня осенила мысль, что теплота и работа могут взаимно трансформироваться одна в другую» (Майер, Р.. Закон сохранения и превращения энергии. М., 1933)

Первое начало термодинамики было полностью сформулиро­вано Майером в статье «Замечания о силах неживой природы» в 1842 г. Эта работа замечательна тем, что ее автор, не будучи профессиональным физиком, обосновал эквивалентность тепла и механической работы преимущественно принципиальными до­водами. Для него механическая работа, теплота, а также электричество, магнетизм, химические превращения суть качественно различные формы энергии, связанные друг с другом эквивалентными отношениями и способные в этих отношениях превращаться друг в друга. Иными словами, первое начало термодинамики в понимании Майера — это обобщенный закон сохранения и превращения энергии. Идеи Майера значительно опередили уровень физического мышления того времени и не сразу были поняты даже такими крупными учеными, как Г. Гельмгольц, который долгое время рассматривал этот закон в плане сохранения и превращения различных форм механичес­кой энергии.

Но Майер на этом не остановился. Благодаря верному, методологическому взгляду на сущность открытого им закона он идет дальше. В статье «Органическое движение в его связи с обменом веществ» (1845) он распространяет действие закона сохранения и превращения энергии на процессы, происходящие организмах. Первоисточником энергии в рганической природе он считает аккумулированный растениями солнечный свет. Далее же в организмах происходят лишь превращения веществ и все другие виды биологических работ за счет накопленной энергии, по не ее создание.

Справедливость утверждения Майера мог подтвердить только опыт. Мы уже рассказывали о калориметрических опытах Лавуазье из которых следовало, что содержание тепла в организме животного поддерживается процессами, для которых необходим кислород и при которых выделяется углекислый газ. Эти процессы были подобны медленному горению, т. е. окислению каких-то веществ. В 1840 г. петербургский профессор Г. И. Гесс выдвинул важный принцип, согласно которому количество тепла, соответствующее какому-либо химическому про­цессу, зависит только от начального и конечного состояний си­стемы и не зависит от промежуточных состояний. Использова­ние этого принципа облегчало задачу калориметрической про­верки закона сохранения в организмах, но еще не решало ее. Историк физики Ф. Розенбергер писал по этому поводу: «Согласно закону сохранения силы (энергии.— И. Р.), животная теплота, как и работоспособность животных, должна происте­кать из одного и того же источника — из пищи животных. Од­нако для точного сравнения действующих здесь причин невы­зываемых ими действий, недоставало еще опытных основ, изме­рения механической работоспособности животных, определения развиваемого ими количества тепла и, наконец, установления термических эквивалентов принятой пищи. Поэтому основопо­ложники закона сохранения энергии могли лишь обосновать вероятную применимость этого закона к органическому миру, но не имели возможности этого твердо доказать, поэтому-то физиология, дольше чем какая-либо иная дисциплина, пред­ставляла собой поле для самых фантастических суждений по вопросу об образований тепла и мышечной силы» (История фи­зики. М., 1936. Т. 3. Вып. 2. С. 70).

П. Дюлонг в 1815 г. и Ж. Депре в 1823 г. показали, что животные выделяли при дыхании в калориметре теплоты на 15—20%. меньше, чем в том случае, когда потребленный ими кислород шел бы на сгорание угля. Расхождение этих данных с принципом сохранения энергии пытался выяснить Гельмгольц. В первую очередь он поставил вопрос, связана ли работа мышц с какими-либо химическими реакциями. Для этого он произво­дил в одинаковых условиях опыты, в которых мышцы лягушки подвергались раздражению электрическими разрядами электрофорной машины до тех пор, пока они не переставали дрожать. Усталые и свежие мышцы опускали в воду и спирт. При этом оказалось, что количество расворимых веществ в обеих мышцах разные. Такие же различия обнаружились и при исследовании других животных (рыб и птиц). Дать точную характеристику химическиз различий Гельмгольц не смог.

То, что первое начало термодинамики справедливо и для живых систем, в принципе никем из ученых не оспаривалось были лишь сложности с его корректной экспериментальна проверкой, в конце концов успешно преодоленные.

Открытие и теоретическое осмысливание второго начала термодинамики, связанные с именами С. Карно, Р. Клаузиуса У.Томсона, Дж. Максвелла, Л. Больцмана, М. Планка, возможно, являются самыми значительными достижениями теоретической физики XIX в. История этих исследований представлена в сборнике «Второе начало термодинамики» (М.; Л, 1934). Мы отсылаем читателя за подробностями к этому источнику. Здесь же сделаем самые необходимые замечания.

В основе второго начала термодинамики лежит принцип и обратимости, открытый Карно. Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому—так формулирует этот принцип Клаузиус и поясняет, что «сама собой» означает «без компенсации». Для характеристики необра­тимости Клаузиус ввел понятие энтропии — функции состояния системы, которая остается неизменной в случае обратимых процессов. Если же система не находится в тепловом равновесии я в ней происходят необратимые процессы, энтропия возрастает.

У.Томсон изложил принцип необратимости в форме постулата, отрицающего возможность существования машины, кото­рая использует только один источник тепла. Такая машина бы­ла названа впоследствии вечным двигателем второго рода.

Статистическое толкование второго начала термодинамики его центрального понятия—энтропии дано создателем статис­тической физики Л. Больцманом. Им было получено распределение кинетической энергии молекул, удовлетворяющее состоянию равновесия термодинамической системы, и введена функция, аналогичная (с обратным знаком) энтропии и связывающая энтропию с вероятностью состояния системы. Необратимый переход тепла от более горячего тела к более холодному интерпретировался им как самопроизвольный переход системы с менее вероятного к более вероятному состоянию, сопровождающемуся поэтому возрастанием энтропии.

Вслед за Клаузиусом и Томсоном Больцман анализирует действие принципа необратимости в космическом масштабе. Отмечая гигантский и практически неисчерпаемый перепад температур между Солнцем и Землей, он пишет: «Выравнивание температуры между обоими телами, обусловленное стремлением к большей вероятности, длится вследствие их громадных размеров и рассеяний друг от друга миллионы лет. Промежу­точные формы, которые принимает солнечная энергия, пока она не деградирует до температуры Земли, могут быть довольно невероятными формами энергии, и мы легко можем использо­вать переходы теплоты от Солнца к Земле для совершения ра­боты, как переход воды от парового котла к холодильнику. По­этому, всеобщая борьба за существование живых существ не является борьбой за составные элементы —составные элемен­ты всех организмов имеются налицо в избытке в воздухе, в воде и недрах Земли —и не за энергию, ибо таковая содержится в изобилии во всяком теле, к сожалению, в форме непревращаемой энергии. Но это — борьба за энтропию (в больцмановском определении ее функции — И. Р.), которую можно использовать при переходе энергии с горячего Солнца к холодной Земле. Для того, чтобы возможно более полно использовать этот переход, растения распускают неизмеримую поверхность своих листьев и заставляют солнечную энергию, прежде чем она опустится до уровня температуры земной поверхности, выполнить химический синтез пока еще не исследованным способом, о котором мы в наших лабораториях еще не имеем никакого понятия. Продукты этой химической кухни являются предметом борьбы в мире животных» (Философия науки. М.; Пг., 1923. Ч. 1. С. 155).

В этом высказывании Больцмана, сделанном в 1886 г., кроется фундаментальная проблема, которая 100 лет спустя выгля­дит еще более рельефно, но остается столь же загадочной.

Одной из попыток разрешить эту проблему или хотя бы наметить путь к ее разрешению предпринял Максвелл. Его идея заключалась в следующем. Молекулы, из которых состоит те­ло, совершают хаотическое тепловое движение с различными скоростями. Поскольку число частиц велико, средняя темпера­тура тела определяется средней скоростью молекул и поддер­живается в состоянии равновесия постоянной. Но если бы существовал механизм, который был способен сортировать «горя­чие» и «холодные» (по отношению к средней температуре) мо­лекулы, собирая те и другие в различных частях тела, то в ре­зультате работы этого механизма могла бы возникнуть разность температур, а значит, совершаться работа вопреки второму на­чалу термодинамики. Этот гипотетический механизм получил название демона Максвелла. История поисков демона Максвел­ла продолжалась многие десятилетия. Особенно привлекатель­ной она представлялась для объяснения способности живых су­ществ поддерживать состояние неравновесия температур, кон­центрации веществ, электропотенциалов. Но биологический демон Максвелла, так же как и физический, остался неулови­мым. Уже во второй половине XX в. логическим путем удалось доказать, что такой механизм в принципе невозможен.

Мы уже информировали читателя относительно открытия «животного электричества» Гальвани и о позитивном значении дискуссии между Гальвани и Вольтой в выяснении того, что же было на самом деле открыто. Здесь следует добавить, что внекоторых книгах по физиологии (например: Коган А. Б. Электрофизиология. М., 1969. С. 9) авторы, отстаивая приори­тет Гальвани в открытии «животного электричества», ссылают­ся на так называемый второй опыт Гальвани, который состоял в том, что отрезанный конец седалищного нерва набрасывался при помощи стеклянной палочки на мышцы лягушачьей лапки. Таким образом, в цепи, вызывающей сокращение мышцы, ме­таллов не было, а была нервная ткань. Но, к сожалению, и этот опыт не доказывает наличия в нервном проводнике элект­ричества. Во-первых, Вольта подчеркивал, что для контактной разности потенциалов существен не материал, из которого со­ставлена пень, а ее неоднородность (от материалов зависит только величина этой контактной разности—у металлов она больше, у ионных проводников меньше). Поэтому замена ме­таллического проводника нервом не устраняет принципиально возможного градиента потенциала па границе нерв — мышца. Во-вторых, ничто не доказывало, что раздражение, передаваемое от нерва к мышце, должно быть обязательно электрической природы. Для этого нужно иметь гальванометр, способный, зарегистрировать ток, идущий по нерпу (потенциал действия). Таких быстродействующих и чувствительных гальванометров тогда еще не существовало, они были созданы лишь к концу прошлого века.

Посмотрим теперь, как развивались события в этом направ­лении в XIXв.

Прежде всего необходимо уточнить смысл выражения «животное электричество». Его употребление во времена Гальвани носило виталистический оттенок некоего жизненногофлюида. В том же смысле его употреблял и Гальвани.Поэтому слова; следует брать в кавычки. Другой смысл выражение приобрело в XIX в., после того как была установлена способность живот­ных тканей к электрогенезу И было показано, что градиенты электрического потенциала постоянно присутствуютв органах и тканях. В наше время это понятие заменено более общим—-«биоэлектричество», поскольку не только животные, но и рас­тения способны к электрогенезу.

Изучение животного электричества (уже без кавычек) нача­лось с того момента, когда были созданы достаточно чувстви­тельные электроизмерительные средства (гальванометры). Пер­вым, кому удалось наблюдать разность потенциалов на живот­ных тканях, был итальянский физик К. Маттеуччи (1837). Вот что пишет о работах Маттеуччи А. Б. Коган в упомянутом вы­ше учебнике по электрофизиологии (с. 10): «Он впервые уста­новил отрицательность разреза мышцы относительно ее непо­врежденной поверхности, факт, ставший исходным для получив­ших впоследствии широкую известность исследований «токов покоя»; описал уменьшение этой отрицательности при стрихнином сокращении, предвосхитив открытие тока действия, на­правленного в сторону, противоположную току покоя; показал способность тока действия раздражать другую возбудимую ткань, которая была затем использована для обнаружения то­ков действия «физиологическим реаскопом» и послужила одним из исходных фактов для обоснования электрической теории нервного проведения. Вместе с тем Маттеуччи указал на воз­можность возникновения электрических явлений в результате физико-химических процессов, например, происходящих при со­прикосновении крови к тканям».

Систематическое изучение биоэлектрических явлений в тка­нях животных было начато десятилетием позже немецким фи­зиологом Э. Дюбуа-Реймоном (1818—1896). Им по достоинст­ву были оценены возможности, вытекавшие из опытов Гальва­ни и Вольты, использования раздражения электрическим, то­ком препаратов животных для наблюдения в них явлений воз­буждения. Для этого им было разработано специальное устрой­ство— индукционная катушка с переменной индуктивностью. При пропускании постоянного тока через первичную обмотку катушки во вторичной обмотке возникал ток индукции, сила и длительность которого могли быть заданы по желанию экспери­ментатора. Таким образом, в руках исследователей оказался источник раздражения с регулируемыми параметрами. Это по­зволяло изучать количественную зависимость между парамет­рами стимула и ответной реакцией. В качестве объекта для систематических исследований явления возбуждения Дюбуа-Реймон использовал нервно-мышечный препарат лягушки (седа­лищный нерв и икроножную мышцу). Степень возбуждения нервно-мышечного препарата оценивалась по величине сокра­щения мышцы. Наконец, учитывая опыт Вольты, он использует неполяризующиеся электроды, у которых контактная разность потенциалов сведена к минимуму, чтобы исключить раздража­ющие эффекты контактов. Эта методика Дюбуа-Реймона стала классической и сыграла в изучении явлений возбуждения нервов и мышц не менее значительную роль, чем известный павлов­ский метод фистул при изучении условных рефлексов.

В экспериментальных науках успешно найденный метод или удачно выбранный объект изучения значит очень многое. При­менение разработанной. Дюбуа-Реймоном технологии привело не только к получению ценных сведений о феноменологии воз­буждения. Одна из установленных в этих опытах закономерностей оказалась объектом пристального внимания физиков. Мы емеем в виду зависимость между силой и длительностью порогового раздражения. Еще Гальвани заметил, что реакция на электрический стимул наступает начиная с некоторой величины раздражения, ниже которой реакции не обнаруживаются. Наименьшая сила раздражения, вызывающая эффект, получила название порога возбуждения. Оказалось, что чем больше сила электрического стимула, тем меньше его небходимая длительность для достижения порога, и наоборот. Такую обратно пропорциональную зависимость между силой и длительностью первым установил Хорвег в 1892 г. Интерес к этой закономерности со стороны физиков был вызван самим фактом количест­венной связи между физическими параметрами, характеризую­щими порог возбуждения. Это указывало на то что механизм возникновения возбуждения есть нечто функциональное, организованное допускающее построение теоретической модели процессов возбуждения.

Таких моделей было предложено несколько. За неимением места мы их не приводим.

Большая заслуга Дюбуа-Реймона и в доказательстве существования животного электричества. Он обнаружил градиенты электропотенциалов в мышцах, нервах, железах, коже, сетчаткее глаза. Им было установлено, что при возбуждении разность потенциалов изменяется.

Эти исследования были продолжены Л. Германом (1838-1914)учеником Дюбуа-Реймона. Им введено понятие потенциала покоя и выдвинута гипотеза об электрической природе распространения возбуждения по нервам. Для такой гипотезы у Германа были серьезные основания одно из которых величина скорости распространения нервного возбуждения. Сложнейшую экспериментальную задачу измерения скорости распростронения нервного импульса возбуждения удалось решить в 1850 г. Г. Гельмгольцу (1821-1894).В наши дни с помошью осциллографической техники провести такое измерение не составляет труда. Но чтобы осуществить это в то вре­мя, нужно было разрешить ряд непростых технических проб­лем. Первая из них — измерение кратких промежутков времени (миллисекундных интервалов). Для этого Гельмгольц восполь­зовался принципом, предложенным в 1844 г. французским фи­зиком М. Пулье: при кратковременном действии тока стрелка гальванометра отклоняется на величину, пропорциональную продолжительности электрического воздействия. Гельмгольц построил установку, в которой начало отклонения стрелки со­впадало с моментом возбуждения нерва, а конец—с моментом сокращения мышцы под действием дошедшего до нее нервного импульса. Чтобы исключить неизвестное время—промежуток между началом раздражения мышцы и ее сокращением, изме­рения проводились дважды при разных расстояниях раздражающих электродов от мышцы. Скорость определялась по разности времен, на которую делили разность расстояний. Процесс сокращения мышцы записывался на приборе, названном Гельмгольцем миогрофом. Миогроф Гельмгольца повторял принцип другого записывающего быстрые физиологические процессы устройства-кимографа, разработанного немецким ученым К. Людвигом (1816-1895) и хорошо известного сейчас каждому студенту- биологу.

Скорость распространения возбуждения по седалищному нерву лягушки в опытах Гельмгольца составила в среднем 26,4 м/с при температурах 11-21ºС.

Выдвигая гипотезу об электрической природе нервного воз­буждения, Герман уже знал, что нерв— не электрический про­водник с соответствующей скоростью протекания тока. Предло­женная им физическая модель этого процесса выглядит так. В покое поверхность нервного ствола заряжена положительно по отношению к его внутренней части. При нанесении раздра­жения возникает локальное падение потенциала (деполяриза­ция), так что раздражаемый участок становится отрицательно заряженным по отношению к невозбужденным. Это порождает локальный электрический ток между возбужденным и соседними участками, что приводит возбуждению последних и т.д. В общих чертах теория Германа оказалась верной.К концу XIX в. электроизмерительная техника усовершенствовалась настолько,- что стало возможным записывать измере­ния потенциала нерва в момент прохождении волны возбужде­ния (потенциала действия). Первым наблюдал потенциал дей­ствия немецкий ученый 10. Бернштейн в 1886 г. Он выяснил, что потенциал действия возникает по принципу «все или ниче­го», другими словами, при достижении местной деполяризации некоторого значения происходит скачкообразное изменение по­тенциала, величина которого сразу же достигает максимальной величины и не зависит от дальнейшего увеличения силы раз­дражения, что напоминает работу триггерных устройств. Бернштейн объяснил это тем, что в момент достижения раздраже­ния пороговой величины происходит электрический пробой и короткое замыкание тока так, что исходны потенциал резко падает от некоторого положительного значении до нуля. Вели­чина же потенциала покоя определяется отношением концент­рации ионов К⁺ между внутренней и наружной стороной кле­точной мембраны нервного проводника.

Главные итоги этих биофизических исследований состояли в следующем.

Во-первых, к концу века стало ясным, что потенциалы дей­ствия, возникающие и распространяющиеся в нервных путях, суть сигналы, несущие сообщения от рецепторов к центральным отделам мозга и команды от центров к исполнительным орга­нам (понятие информациивойдет в естествознание лишь во вто­рой половине XX в.). Выяснение функциональной роли биоэлек­тричества в организме животных заложило основы глубоких иразносторонних электрофизиологических исследований нынеш­него века.

Заметим попутно, что электрическая природа нервных про­цессов была истолкована некоторыми исследователями (самая заметная фигура среди них — физикохимик В. Оствальд) как свидетельство того, что нервная деятельность—это совокуп­ность процессов, сущность которых заключается в генерации и передаче электрической энергии. Это не первый и не последний случаи вульгарно-материалистического подхода к проявлениям жизнедеятельности.

Во-вторых, изучение физических (электрических) характе­ристик нервного возбуждения, выяснение физико-химических ме­ханизмов генерации потенциалов действия положило начало од­ному из важнейших направлений современной биофизики — биофизики электрических явлении в живой материи, электро-биологии. Соответствующая биофизическая теория электрогенеза была разработана к началу второй половины XX в. Эта теория является базисом современных исследований процессов воз­буждения, ведущихся широким фронтом.

Наш обзор истории изучения биологического электричества в XIX в. был бы неполным, если бы мы ограничились только животным электричеством.

Биоэлектричество является универсальным свойством живых тканей. Это убеждение созрело уже в прошлом веке. И,естест­венно, поиски электрических феноменов распространялись ина растения. Градиенты электрических потенциалов в растениях были обнаружены повсеместно: между верхушкой икорнем рас­тения, между различными частями генеративных и репродук­ционных органов и т. д. Мы остановимся только на одном та­ком явлении растительного электричества.

Лекция 4.МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ УРОКИ ИСТОРИИ БИОФИЗИКИ

В предыдущей лекции мы завершили исторический обзор становления и развития биофизики. Из него можно сделать сле­дующие выводы.

1. Утверждение, что биофизика—физика живого—сформи­ровалась только в XX в., неверно. Использование физических представлений для изучения явлений жизни началось в то время, когда появилась первая физическая теория—механика. В дальнейшем физика живого развивалась параллельно с раз­витием физики. Поэтому новый подъем биофизических исследований и нашем веке—лишь естественное отражение выдающегocя прогресса физической теории и физического эксперимента.

2. Биофизика возникла как реализация картезианской идеи механического объяснения явлений жизни. Первыми объектами приложения физических представлений стали свойства и функции организмов человека и животных. Благодаря этому был дан толчок к развитию физиологии, науки о функциях организмов. Мы видели, что физический подход предопределил зарождение физиологии кровообращения, локомоции, нервной деятельности, дыхания, органов ощущений (зрения и слуха), электрофизиологии, физиологии растении. Физика оплодотворила эти направления рациональными идеями и методами исследований.

3. Следуя за развитием физики в своей методологической ос­нове, биофизика расширяла и углубляла фронт своих исследо­ваний по мере того, как развивалась биология. Данные биологии все в большей степени определяли постановку задач для биофизического изучения.

В предыдущих лекциях мы не останавливались специально на методологических аспектах развития биофизики, полагая, что эту тему следует рассматривать отдельно. Теперь, когда а нашем распоряжении имеются факты истории и представления; об основных тенденциях развития биофизики, займемся таким анализом.

Может показаться необычным и даже излишним обращение в историческом обзоре к вопросам методологии (известно, что естественнонаучная методология—это совокупность познава­тельных средств, методов, приемов, используемых в какой-либо науке). Мы уже привыкли, что в учебниках даются краткие справки об истории становления данной дисциплины, в кото­рых перечисляются имена, факты и даты как бы по традиции. Но обращение к прошлому не только традиция. Анализ процесса развития науки в прошлом необходим совсем не для того, чтобы обозначить какие-то знаменательные вехи в истории.! Главное состоит в том, что история всегда обращена в будущее. Диалектика познания не меняет своих принципов и законов при переходе с одного уровня знания на другой, более высокий. Менялись объекты и средства познания, но познающий субъект—исследователь—во все времена опирался на эвристические возможности своего познающего органа—мозга. Поэтому методологический опыт прошлого науки имеет непреходящую ценность. Он предостерегает от повторения заблуждений, от которых не избавляет достигнутый уровень знания и которые обходятся по мере усиления роли науки в жизни общества все дороже. Чего стоило нашей послевоенной биологии отречение от важнейших принципов постижения научной истины, сейчас видно многим. Чтобы не повторять этих ошибок, нужно эти принципы знать и руководствоваться ими.

История пауки представляет богатейшие возможности для получения целостного и в то же время объемного представле­ния картины развиваемого знания, показывает «технологию» разрешения фундаментальных проблем, ее обогащения и совер­шенствования в результате внутреннего саморазвития и влия­ния общего научного прогресса. Исторический взгляд на науку позволяет рельефнее представить специальные черты данной от­расли, разглядеть истоки определяющих ее характер идей и их развитие во времени. Благодаря всему этому можно полнее и глубже попять ее сегодняшнее состояние.

За истекшие четыре столетия естествознание прошло путь от диалектического отрицания своего натурфилософского состоя­ния специализацией паук и развитием в них специфического знания до отрицания отрицания—процесса интеграции паук. Интеграция наук происходит в наше время. Попытаемся уяс­нить, какое же место в этом прогрессе естествознания занимала биофизика в рассмотренном нами прошлом и занимает в настоящем.

В названии «биофизика» слиты понятия «физика» и «биоло­гия», отражено взаимоотношение наук, изучающих различные формы существования материи. Естественно, что основным методологическим вопросом развития биофизики было и остается то, как понимается соотношение физического и биологического и живой материи.

Дихотомия природы на живую и неживую была намечена еще в античной натурфилософии в трудах Платона и Аристотеля. Первый выдвигал представление о душе, которая одухотворяет животный и растительный мир, второй наделял живую природу способностью к целенаправленному развитию — энтелехией (от греч. entelechia — имеющее цель в самом себе). Уче­ния Платона и Аристотеля положили начало идеалистическому истолкованию жизнедеятельности — витализму.

Противопоставление живой и неживой природы в учениях древних философов не противоречит диалектике, но абсолютизация этого противопоставления, утверждение принципиальной непреодолимости в процессе познания такого различия — это метафизика.

К началу XVII в. трудами Коперника, Кеплера и главным образом Галилея сформировалась первая физическая теория — механика. В основу ее были положены принципы, представляющие собой обобщение эмпирических данных, так родилась физика в современном понимании этого слова. Затем пришел Декарт с его кинематикой, философскими идеями о познаваемости мира и решающей роли в этом рационального мышления.

Декарт как философ не был последовательным материалис­том. Он считал, что общей причиной существования движущейся материи является Бог. Так же дуалистично учение Декарта о человеке: тело человека, как и животных, представляет собой механическую машину, но человек, в отличие от животных, на­делен душой, дарованной ему Богом, благодаря которой он об­ладает разумом и волей.

Но оставим в стороне философские последствия дуализма Декарта и обратим внимание на существо противопоставления духовного физическому в плане биофизики.

Исходя на тождества организмов человека и животных плане их механического устройства, Декарт пришел в своем анализе к следующему выводу: «...Исследуя те функции, какие могли вследствие этого (тождества.- И.Р.) иметь, в данном теле, я нашел точности все то, что может происходить в нас, не сопровождаясь мыслями и, следовательно, без участия, души, то есть отличной от тела части, природа которой... состоит только в мышлении. Это как раз те проявления, в которых лишенные разума животные, можно сказать, подобны нам. Но я не мог найти в таком человеке (лишенном души.-И.Р.) ни одной из функций, зависящих от мышления и только нам как людям (обладающим душой. –И.Р.) зато я нашел их там впоследствии, предположив, что Бог создал разумную душу и что он соединил ее с этим телом определенным образом...» (Декарт Р. Избранные произведения. М.; Л., 1950 С. 293).

На первый взгляд, Декарт здесь повторяет идеи Платона о душе и Аристотеля об энтелехии. Но есть существенный ню­анс: Декарт не постулирует, а приходит логическим путем к ог­раниченности механических представлений и невозможности вывести из них существование разума и воли. Для нас не столь важно, что он, сын своего времени, вводит в свою систему по­нятие души и предлагает иррациональную причину ее происхождения. Можно понять его реверанс в сторону теологов, которым он доставил немало неприятностей своей философией. Важно другое: Декарт-рационалист вынужден был поступиться рационализмом, признавая, что между физическим и нефизическим (в виде человеческого разума) существует качественное различие. Забегая вперед, скажем, что, чем дальше шло разви­тие физики и биологии, тем все отчетливее и глубже проступало диалектическое противоречие между физической и биологической формой существования материи.

Декарт проводил границу между физическим и нефизическим (душа, разум) внутри живого (человека). И это также существенно отличает его представление от взглядов античных философов. По сравнению с ними он сделал огромный шаг впе­ред.

Дальнейшее развитие биофизики шло по пути изучения и понимания все большего круга физических проявлении жизнеде­ятельности. Это наносило удары по витализму. Напомним в этой связи оценку К. Л. Тимирязева работ Лавуазье по физио­логии дыхания, вскрывших физико-химическую сущность этого процесса.

Успехи биофизики уже в XIX в. породили противоположную метафизическую концепцию—механизм. Опираясь на достиже­ния классической физики и экспериментальной физиологии, ряд крупнейших ученых, таких как Дюбуа-Реймон, Людвиг, Герман, Гельмгольц, выдвинул задачу «поставить физиологию на хими­ко-физический фундамент и придать ей равный научный ранг с физикой» (цит. по: Моровиц Г. Исторический очерк: Теорети­ческая и математическая биология. М., 1968. С. 39). Вот слова Дюбуа-Реймона, в которых он изложил свой взгляд на отноше­ние физики и биологии (цит. по тому же источнику): «...если было бы достаточно одних только наших методов, была бы воз­можна аналитическая механика процесса жизни вообще. Это убеждение зиждется на интуитивном понимании того, что все изменения в материальном мире... связаны с движением. Следо­вательно, даже жизненный процесс не может быть ничем кроме движения...

К этому можно еще добавить, что на рубеже XIX—XX вв. по­явилась энергетическая теория В. Оствальда. Под ее влиянием достижения электрофизиологии нервных процессов были истол­кованы некоторыми исследователями как указания па энергети­ческую (электрическую) природу нервной деятельности, вклю­чая и ее высшее проявление — мышление.

Причину возникновения механистического (вульгарно-мате­риалистического) взгляда па явления живой природы понять нетрудно. Это—переоценка и в конечном счете абсолютизация познавательных возможностей физики. Уточним: классической физики. Такое уточнение тем более уместно, что к концу XIX в.л классическая физика столкнулась с неразрешимыми противоречиями теории и эксперимента, для преодоления которых при­шлось создать принципиально иную теорию —квантовую механику.

Между тем, начиная с XVIII в., в биологии накапливались данные о фундаментальных свойствах живой материи, устанавливались наиболее общие принципы биологической организации и развития живой природы. Уже в XVIII в. в капитальном труде Бюффона «Естественная история» была высказана идея развития органическою мира. Последующая разработка этой идеи имела основополагающее значение для прогресса науки о живой природе. Концентрированное выражение этой идеи-современный принцип историзма—одно из основных методологических положений биологии. В том же XVIII в. были получены доказательства (Спалланцани) невозможности самозарождения жизни. Положение «живое—от живого» прошло и последую­щем столь тщательную экспериментальную проверку, что в настоящее время оно выглядит таким же непреложным, как и закон сохранения энергии.

В физической теории (как в классической, так и в квантово-механической) аналогов принципу историзма нет. Уравнения физики обладают фундаментальной симметрией.

Среди замечательных открытий Л. Пастера есть одно, имеющее прямое отношение к обсуждаемому вопросу. Им была установлена асимметрия биологических молекул. Как мы сейчас; знаем, это свойство проистекает от того, что биополимеры состоят либо только из левых, либо только из правых стереоизомеров. Другими словами, биомолекулы—кирально чистые соединения. Таких соединений в неживой природе нет. В ней-имеются рацемические смеси из правых и левых стереоизомеров. Пастер рассматривал биологическую асимметрию как са­мое очевидное коренное отличие живой материи от неживой. И в этом он оказался прав. Объяснить происхождение чистых био­полимеров современная физика пока не в состоянии.

Казалось бы, эти и многие другие факты должны предостеречь современных механицистов (или иначе—сторонников фи­зического редукционизма) от утверждения, что существующих физических представлений принципиально достаточно для объяснения всех явлений жизни. Но вот что пишет М. Эйген: «...те биологические процессы и явления, которые достаточно хорошо исследованы в настоящее время, не дают никакого повода считать что физика в ее современном виде не и состоянии объяс­нить их, хотя- как и в случае макроскопических явлений в неживом мире детальность описания имеет пределы, обусловленные не фундаментальными законами, а только сложностью самих явлений. Это отнюдь не означает, что в биологических явлениях знакомые нам основные принципыфизики не могут выступать в особой форме, присущей только этим явлениям» ( Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологичес­ких макромолекул. М., 1973. С. 203),

Во всех определениях биофизики указывается, что это—фи­шка живого. Выше шла речь о том, что физические представ­ления не могут дать исчерпывающее объяснение всем свойст­вам жизни. Но, может быть, в таком случае биофизика долж­на, согласно этим определениям, ограничиться только физичес­кими свойствами биологических объектов?

И это, на наш взгляд, метафизический подход. Утверждение, что биофизика—это только физика живого, приемлемо лишь как констатация состояния современной биофизики, но не как определение этой науки, исходящее из диалектики ее развития.

Во-первых, суждение «только физика» недостаточно уже потому, что биофизические знания не могут не нести в себе отно­шения физического к биологическому. Они помогают лучше ра­зобраться в самом биологическом. Из нескольких версий объяс­нения какого-либо биологического явления биофизический под­ход может указать на наиболее вероятную гипотезу. И, напро­тив, данные биологии в состоянии опровергнуть или подтвер­дить ту или иную физическую модель явления. В познании фи­зического и биологического существует, таким образом, не толь­ко прямая, но и обратная связь.

Во-вторых, биофизика — это уже не только физика, хотя, в основном, и физика живого. Ряд конструктов, которыми она опе­рирует, не является производным физической теории. Например, принцип обратной связи или понятие информации.

Итак, на протяжении всей истории изучения живой материн средствами физики биология неизменно обогащалась знаниями о физико-химических основах биологических структур и процес­сов (особенно впечатляюще выглядят достижения биофизики ХХ в., которые нами не рассматривались). Эти знания способст­вовали утверждению монистического взгляда на природу, осво­бождали биологию от виталистических тенденций. Мировоз­зренческая грань биофизики является наиболее очевидной и час­то обсуждается в философской литературе.

Не менее существенной чертой развития взаимоотношений физики и биологии следует считать постепенное выяснение диалектического характера связи физико-химических и биологических свойств живого. Это, во-первых, выражается конкретных подтверждений тезиса о том, высокая форма движения материи по сравнению с физико-химическими, и последние выступают в организмах в снятом виде, подчинены биологическим закономерностям. Во-вторых мере углубления биологических знаний и их соотнесения с объяснительным потенциалом физики все более рельефно вырисо­вывалось противоречие между биологическим способом сущест­вования и принципиальными возможностями теоретической фи­зики. Все это, с одной стороны, раскрывало метафизичность концепции физического редукционизма, а с другой стороны, ориентировало теоретическую мысль на поиски конструктов, подобных принципу обратной связи и понятию информации

Таким образом, в биофизике складывается представляющих собой синтез положений физики и биологии. Биофизика— это проблемная область естествознания, сочетаю­щая в себе аксиоматическую и логическую (математическую) структуру физики с понятийным аппаратом из физических биологических конструктов. Как свидетельствует история физики, последние имеют принципиальное значение для венных прорывов на более: высокий уровень знаний о связи физического и биологического в живой материи.

Предпосылки биофизики новейшего времени. Начало ХХ в., до рубежа которого мы рассмотрели историю биофизики стало началом прорыва физики в микромир атомов и элементарных частиц. Были открыты: рентгеновское излучение, явление есте­ственного радиоактивного распада, первая элементарная части­ца— электрон. Родилась квантовая механика, в основу которой положен принцип дискретности испускания и поглощения энергии в микромире, коренным образом отличающийся от классических представлений о непрерывности энергетическихвзаимодействий на макроуровне. Создана специальная теория относи­тельности, изменявшая отношение к ньютоновскому постулату абсолютности пространства и времени.

Эти фундаментальные достижения стимулировали разработ­ку методов изучения структур и процессов па уровне атомов и молекул. Были созданы и в дальнейшем непрерывно совершенствовались: б

Дата добавления: 2014-10-10; просмотров: 551; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!