Мир глазами биофизика

DjVu

От автора
Как различные события, происходящие в космосе, влияют на земные процессы? Почему некоторые виды черепах живут более 100 лет, но ни одна мышь не живет более 4 лет? Почему в детстве день кажется длинным, а к старости год кажется коротким? Как животные воспринимают трехмерность окружающего пространства, можно ли видеть фантомы (от греч. phantasma — видение, призрак») отсутствующих предметов? Что такое биологическое время и можно ли им управлять? Эти вопросы обычно адресуют к биофизикам... Что же такое биофизика?
Любая наука — это не только разновидность человеческой деятельности, это непрерывно развивающийся коллективный творческий процесс: движение человеческой мысли, столкновение точек зрения и как результат — появление новых идей и научных направлений.


Что такое биофизика

Природа — некий храм, где от живых
колонн
Обрывки смутных фраз исходят
временами,
Как в чаще символов мы бродим
в этом храме,
И взглядом родственным глядит
на смертных он.
    Шарль Бодлер

Наука древних была едина, понятием « физика» (природа) обозначалась вся совокупность сведений о живой и неживой природе. В этом единстве была сила, но одновременно и слабость. Разделение физики на две области знания (о живом и неживом) произошло сравнительно недавно. Впервые термин «биология» встречается в работах французского естествоиспытателя Жана Батиста Ламарка, предшественника Чарлза Дарвина.
      Эволюция определений. Чтобы самостоятельно существовать, биология должна была определить свой предмет исследования, провести границу между живым и неживым. Однако определения жизни, данные в XIX в., сводились к порочному кругу: «Жизнь есть жизнь». Биологи того времени считали, что особая жизненная сила охраняет живое тело от действия внешних сил, стремящихся его разрушить. Следовательно, живое живет по своим законам к неживой природе эти законы не имеют отношения. Физика и биология — две самостоятельные и независимые науки. Однако время от времени возникали сомнения: так ли это на самом деле? Различны ли законы для живого и неживого?
      Еще в 1628 г. на основе количественных измерений и применения законов гидравлики Уильям Гарвей объяснил механизм кровообращения, в тот же период Рене Декарт и Готфрид Лейбниц заметили, что механические законы идентичны для неодушевленной материи и для живых систем. Антуан Лавуазье и Пьер Лаплас показали, что нет двух различных химий для неорганических и органических тел. Они доказали на опыте, что в основе дыхания и выделения тепла в теле человека и животных лежат такие же процессы окисления, которые происходят и вне живых организмов. Наконец, в середине XIX в. Дюбуа-Реймон в книге о животном электричестве сформулировал постулат: «В материальных частичках организмов не обнаруживается никаких новых сил, которые не могли бы действовать вне их. Таким образом, нет никаких сил, которые заслуживали бы названия жизненных сил».
      Не успели биология и физика размежеваться, как стали раздаваться голоса в пользу объединения. В 1892 г. английский математик Карл Пирсон опубликовал философскую книгу Грамматика науки». Она принесла Пирсону не меньшую известность, чем кривые распределения случайных величин, открытые им в 1894 г. и названные его именем. Пирсон по многим вопросам придерживался идеалистических взглядов, за что был подвергнут критике философов-материалистов (в частности, развернутый анализ его ошибок содержится в книге В. И. Ленина Материализм и эмпириокритицизм»). Тем не менее в оценке роли биофизики Пирсон был прав. Он писал: «Мы не можем с полной определенностью утверждать, что жизнь есть механизм, до тех пор, пока мы не в состоянии указать более точно, что именно понимаем мы под термином механизм» в применении к органическим тельцам. Уже теперь представляется почти несомненным, что некоторые обобщения физики — в особенности великий принцип сохранения энергии — описывают, по крайней мере, часть нашего чувственного
      опыта относительно жизненных форм. Нужна, следовательно, отрасль науки, имеющая своей задачей приложение законов неорганических явлений, или физики к развитию органических форм. Такая наука, пытающаяся показать, что факты биологии — морфологии, эмбриологии и физиологии — образуют частные случаи приложения общих физических законов, получила название этиологии. Быть может, лучше было бы назвать ее биофизикой. В настоящее время биофизика еще не сделала особенно крупных успехов, но нет ничего невероятного в том, что ей принадлежит крупное будущее».
      Первая четверть XX в. Некоторые ученые еще пытаются противопоставлять законы живой природы неживой. Однако методы химии, физики и математики все шире проникают в область биологии и медицины, материалистический взгляд на природу становится основной философией ученых.
      В 20—30-х гг. в советской России начинаются интенсивные исследования в области биофизики. Об этом академик Петр Петрович Лазарев писал так: «Предметом биофизики является изучение физических и физико-химических явлений, протекающих в тканях и органах тела человека, животных и растений, и построение количественных физико-математических теорий в тех областях учения о жизни, где возможно сведение явлений на чисто физические причины». Однако он полагал, что «сведение» не всегда возможно.
      Середина XX в. Колоссальных успехов достигла атомная физика. Это не могло не оказать воздействия на умы ученых, работающих во многих других областях естествознания. Датский физик Нильс Бор, один из создателей квантовой теории, пишет: «Ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе, как на основе понятий физики и химии». У Н. Бора уже нет сомнений, что биологические процессы должны основываться на физико-химических явлениях.
      Возникают попытки переосмыслить предмет биофизики. Американский биофизик Ю. Аккерман отметил: Биофизика — наука, трудно доступная для людей, которые не знают биологии или физики. С точки зрения природы используемого материала биофизика определенно стоит ближе к обычной биологии, чем к физике... В отношении методологии биофизика ближе к физике, чем к биологии».
      Вторая половина XX в. Уже существует Международный союз биофизиков, издаются журналы, растет число специалистов, но не прекращаются споры на тему «Что такое биофизика?».
      Одновременно формировались две науки — биохимия и биофизика. По этому поводу академик Глеб Михайлович Франк, с именем которого связано развитие биофизики в СССР в 60—70-е гг., писал: Биофизика не имеет присущего только ей
      объекта или предмета исследования, как, например, микробиология (наука, изучающая микроорганизмы) или энтомология (раздел зоологии, изучающий насекомых). Эта наука, скорее, характерна только ей присущим физическим подходом к изучению широкого круга жизненных явлений... Особенно тесна связь, скорее даже «взаимопроращивание», биофизики и биохимии. И если изображать графически взаимоотношение биохимии и биофизики, нельзя ни в коем случае рисовать черту раздела между ними. Это будут, скорее, широкие кривые распределения компетентности» с максимумами, сдвинутыми по отношению друг к другу».
      Последняя четверть XX в. Возникли науки, находящиеся в компетенции сразу трех разделов естествознания, например биофизическая химия. Професcop I. А. Блюменфельд, возглавляющий кафедру биофизики Московского государственного университета, в книге Проблемы биологической физики» пишет: Биофизика есть часть биологии, имеющая дело с физическими принципами построения и функционирования некоторых сравнительно простых биологических систем, но рассматривающая их как нечто данное и не занимающаяся непосредственно вопросами их возникновения и эволюции». Л. А. Блюменфельд считает биофизику разделом биологии, но без рассмотрения исторического процесса возникновения биологических систем.
      Профессор той же кафедры и руководитель одной из лабораторий Института биологической физики АН СССР С. Э. Шноль в книге Физико-химические факторы биологической эволюции» замечает: Собственно биологической является именно теория эволюции. Однако сам ход, этапы, траектории эволюционного процесса вполне подлежат изучению с позиций математики, физики, физической химии». Он включает в компетенцию биофизики и историю возникновения живых систем.
      Нет необходимости задавать вопрос: какие определения следует считать правильными? Их нужно рассматривать как дополняющие друг друга и отражающие различные этапы развития науки. Постараемся ответить на вопрос: считать ли биофизику разделом биологии или физики?
      Природа едина, а разделения и рубрикация в науке — процесс субъективный. По традиционной международной классификации, существующей 20 лет, биофизику принято делить на три раздела: молекулярную биофизику, биофизику клетки и биофизику сложных процессов.
      В августе 1982 г. в Москве проходил I Всесоюзный биофизический съезд, 2500 специалистов-биофи-зиков и ученых смежных специальностей приняли
      участие в его работе. Съезд отметил, что «современная биофизика характеризуется широтой охвата разнородных биологических объектов исследования и физической проблематикой... Самостоятельные разделы биофизики объединены друг с другом либо принципами общности уровней структур изучаемых объектов, либо исследованиями функциональных особенностей определенных явлений, либо единством подхода к общему кругу проблем». Приведенное определение является некоторым итогом дискуссий. Таким образом, биофизика «приобрела» трехмерную структуру (см. рис. на с. 12).
      Пересечения цветных областей на рисунке составляют различные направления биофизических исследований. При этом биофизика по набору исследуемых явлений и используемых методов тяготеет к физике, а по изучаемым объектам и целям исследования — к биологии. Следовательно, правы те, кто относит биофизику к физике, и те, кто считает биофизику разделом биологии. Если рассматривать динамику развития биофизики, то заметна тенденция расширения общих областей физики и биологии.
      Биофизика как наука переживает этап бурного роста. Она превращается в теоретическую основу современной биологии — науку, изучающую физические механизмы и явления на различных уровнях структурной организации живых систем. Биофизика не описательная наука, главная ее цель — проникновение в сущность явлений путем построения набора физико-математических моделей, выявляющих закономерности процессов, которые протекают в живых системах.
      Если бы кому-нибудь удалось окинуть взглядом все многочисленные направления биофизики и понаблюдать за их изменением в течение десятилетий, то перед ним возник бы образ живого океана, где тысячи физиков, математиков, химиков и биологов заняты добычей, передачей и упорядочением научной информации. Различные области это-
      го океана периодически изменяются, увеличиваясь или уменьшаясь, сливаясь или разделяясь, а сам он живет по законам развития наук, которые до конца еще неизвестны.
      Становление биофизики. В дореволюционной России вопросы биофизики привлекали внимание крупнейших ученых: И. М. Сеченова, А. Ф. Вериго, А. Ф. Самойлова, Н. Е. Введенского, А. А. Ухтомского, В. Ю. Чаговца, С. Ф. Штейна, Н. А. Умова, К. А. Тимирязева, П. П. Лазарева, В. И. Вернадского.
      После Октябрьской революции сложились благоприятные условия для развития биофизики в СССР. По декрету В. И. Ленина в 1919 г. был создан первый в нашей стране Институт биологической физики.
      В это время в биофизику приходили в основном специалисты из физики или медицины.
      Таким был Петр Петрович Лазарев (1878— 1942) — физик, биофизик, геофизик — организатор Института биологической физики, на основе которого затем был создан широко известный Физический институт АН СССР им. П. Н. Лебедева. Лазарев после окончания гимназии поступил на медицинский факультет Московского университета. С отличием его окончил, а через два года получил ученую степень доктора медицины и одновременно сдал экзамен за весь курс физико-математического факультета. В 1912 г. он был избран профессором физики Московского высшего технического училища, ныне носящего имя Н. Э. Баумана.
      Другим выдающимся ученым в области биофизики был Глеб Михайлович Франк (1904—1976) — академик, трижды лауреат Государственной премии СССР. С 1957 г. — директор Института биологической физики АН СССР, директор-организатор Научного центра биологических исследований АН
      СССР в г. Пущине. Франк окончил естественное отделение Таврического (Крымского) государственного университета. В период учебы в университете и в аспирантуре занимался исследовательской работой под руководством известного биолога профессора А. Г. Гурвича. С 1929 г. работал в Физико-техническом институте в Ленинграде у физика академика А. Ф. Иоффе, который вырастил поколение замечательных советских ученых.
      Аналогичным образом происходило формирование кадров биофизиков и в других странах. Любопытна творческая биография крупного немецкого ученого Германа Гельмгольца (1821 —1894), заложившего основы биофизики органов чувств, мышечного сокращения и возбудимых систем. Он окончил Военно-медицинский институт в Берлине и 6 лет работал врачом, затем преподавал и занимался исследовательской работой как физиолог в различных университетах Германии. После этого 7 лет преподавал физику в Берлинском университете, а с 1888 г. был директором Физико-технического института в Берлине.
      Такой динамизм и разносторонний характер интересов свойствен многим ученым. Альберт Сент-Дьёрдьи — известный американский биофизик и биохимик, по национальности венгр (иностранный член АН СССР), в автобиографической статье писал: «Помнится, мои гистологические исследования продвигались вполне успешно, но на третьем году изучения медицины морфология перестала удовлетворять меня — она мало что говорила мне о живом. Я принялся за физиологию... Я хотел понять, что такое жизнь. Физиология казалась мне неимоверно сложной, и я занялся фармакологией: здесь можно было подступиться если не к пациенту, то к лекарству. Вскоре я убедился, что этого мало. И я переметнулся в бактериологию, но бактерии тоже не лыком шиты. Я взялся за физическую химию, т. е. за молекулы, которые в то время считались самой малой единицей. Несколько позже я пришел к выводу, что молекулы слишком сложны, и принялся за электрон... я решил одолеть эту лестницу — начиная от электронов через более сложные системы с надеждой выйти когда-нибудь на клеточный уровень организации. Видите, линия моей внутренней жизни представляет собой почти правильную синусоиду». Науковеды утверждают, что каждые 5 лет активно работающий специалист меняет направление своих исследований.
      Планомерная подготовка кадров биофизиков в нашей стране началась в первые годы Советской власти. Первый курс под названием «Биофизика» был.прочитан П. П. Лазаревым для врачей при клинике Московского университета в 1922 г., в 1927 г. — для студентов физико-математического факультета Ленинградского политехнического института, а к концу 30-х гг. — ив других учебных заведениях страны.
      Становление отечественной биофизики повлияло на развитие этой науки и в других странах. Так, в институтах США возникают биофизические отделы, в Германии в конце 20-х гг. организуется Институт биофизики.
      После второй мировой войны в СССР и ведущих капиталистических странах в результате огромного размаха исследований по физике и химии, возникновения мощной приборостроительной промышленности начинается бурное развитие биофизики.
      В связи с этим в 1961 г. был создан Международный союз теоретической и прикладной биофизики. С этого времени с интервалом в 3 года стали проводиться Международные биофизические конгрессы. В 1971 г. по инициативе академика Г. М. Франка создан координационный центр стран социалистического содружества по исследованиям в области биологической физики.
      В 1953 г. в СССР была организована первая специализированная кафедра биофизики на биологопочвенном факультете Московского государственного университета, а через 6 лет — и на физическом факультете. Затем специализированные кафедры биофизики были созданы в Московском физико-техническом институте и в ряде медицинских высших учебных заведений и университетов нашей страны. В 1983 г. в Московском физико-техническом институте был организован специальный факультет по физико-химической биологии. В настоящее время в СССР свыше 25 кафедр готовят специалистов-биофизиков.
     
      Борьба идей и судьбы людей
     
      Почему два великих поэта,
      Проповедника вечной любви,
      Не мигают, как два пистолета?
      Рифмы дружат, а люди — увы...
      Андрей Вознесенский
     
      Науку творят люди, поэтому часто возникают противоречия между объективностью науки и характером и взглядами ее отдельных представителей. Немецкий физик-теоретик Макс Планк с досадой писал по этому поводу: Великая научная идея редко внедряется путем постепенного убеждения и обращения своих противников... В действительности дело происходит так, что оппоненты постепенно вымирают, а растущее поколение с самого начала осваивается с новой идеей».
      В этой главе вы познакомитесь с разными судьбами и конфликтными ситуациями из истории развития биофизики, в которых оказывались правыми, как правило, оба ученых. Однако истина выяснялась уже после их смерти в результате исследований их последователей и учеников.
      Свет и цветоощущение. Исаак Ньютон и Иоганн Вольфганг Гёте. Создатель классической физики, с одной стороны, и поэт, « любитель и гость в науке», как он сам себя называл, с другой. Какое отношение эти два человека имеют друг к другу? Какой след могли оставить в истории биофизики их отношения? Какова основа конфликта между ними?
      В данном случае нас будут интересовать работы Ньютона в области оптики. Его многочисленные биографы единодушны в том, что интерес к оптике возник у Ньютона, когда ему было не многим более 20 лет. В 1665 г. он приобрел призму, «чтобы произвести опыты со знаменитым явлением цветов». Научный мир узнал об открытии Ньютона из доклада о природе цветов, опубликованного в 1672 г. и вызвавшего критические замечания ряда ученых, в частности крупнейшего английского ученого XVTI в. Роберта Гука. Затем последовала долгая полемика, сильно огорчившая Ньютона. Дело кончилось тем, что Ньютон заперся в своей лаборатории, чтобы в тишине завершить работу по оптике, которую опубликовал в 1704 г. (годом раньше умер его главный оппонент Гук).
      Опыты с призмой позволили Ньютону сделать фундаментальный вывод: «Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломления». Серия опытов с двумя скрещенными призмами, разлагающими солнечный луч, убедила Ньютона в том, что цвета присутствуют в солнечном свете, а призма лишь разделяет их. Эти опыты сегодня известны всем. Однако он не обратил внимания на наличие черных полос в солнечном спектре. Это обстоятельство следует считать счастливой случайностью, так как необходимость их объяснения вызва-
      ла бы серьезные осложнения при построении его теории.
      В другой серии опытов Ньютон разложил свет с помощью призмы и пропустил его через узкую щель на вторую призму, которая его отклоняла, но не разлагала. Эти опыты имели фундаментальное значение для последующего развития спектроскопии и привели Ньютона к понятию однородного, или, как мы теперь называем, монохроматического, света. Он писал: Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломления, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях». Тем самым было экспериментально подтверждено предвидение Декарта о природе цветов: тела, на которые падает свет, не производят цветов, и лучи не окрашиваются сами по себе; лучам свойственна определенная способность возбуждать ощущение цвета.
      Иоганн Вольфганг Гёте.
      После анализа Ньютон перешел к синтезу цветов. Некоторые из этих опытов стали классическими и приводятся во многих практикумах. Например, опыт с быстро движущейся по спектру гребенкой. В этом случае за счет инерционности зрения мы не видим отдельных цветов, а видим белый свет. Все эти открытия позволили Ньютону объяснить цвета тел как результат избирательного поглощения падающего на них света.
      Однако еще при жизни Ньютона были показаны опыты, в которых цвета предметов, поглощающих свет, отличались от цветов, предсказываемых его теорией. Тем не менее Ньютон на них не реагировал и считал возможным применять к цветам спектра правила смешения цветных красок и утверждал, например, что зеленый цвет спектра получается смешением желтого и синего.
      Иоганн Вольфганг Гёте (1749—1832) родился через 22 года после смерти Ньютона. Как известно, Гёте был не только поэтом, но и крупным естествоиспытателем, работавшим во многих областях науки: морфологии животных и растений, геологии, метеорологии. Юрист по образованию, Гёте был в значительной мере «самоучкой» в области физики и не имел научных званий.
      В 40 лет он занялся проблемой восприятия цвета, исходя из понятий, колорита в живописи, которой Гёте увлекался с детства. Гёте работал над этой проблемой почти 20 лет, затратив много труда, времени и средств. В 1810 г. вышла в двух томах его книга «Учение о цвете» с атласом таблиц, иллюстрирующим проделанные опыты. Гёте пришел к убеждению в ошибочности опытов Ньютона. Он отвергал его теорию, считая, что пришло время создать новое учение о цвете. Новизна концепции Гёте в том, что цвета, как таковые, не приходят в глаз извне в виде «лучей», а создаются нашим глазом. Белый свет казался Гёте первичным, простым и неразложимым, ибо глаз ощущал цвета часто без внешних раздражений. Это Гёте установил самонаблюдением. Разумеется, физики восстали против таких идеалистических утверждений Гёте.
      Гёте, не любивший тяжб, упрямо продолжал исследования, лишь изредка отвечая противникам едкими эпиграммами. Из известных физиков один Томас Зеебек поддерживал научную связь с Гёте и написал для его книги две статьи. Сочувствовали Гёте его друзья и высокопоставленные покровители, мало понимавшие в науке. Напомним, что в начале 80-х гг. XVIII в. Гёте был министром Веймарского княжества. Любопытно, что Гегель с уважением отнесся к учению Гёте. В своих изысканиях Гёте долгое время был одинок. Споры вокруг его учения о цвете продолжались до середины XX в. Еще при жизни Гёте некоторым ученым стало ясно, что он заложил основы учения о «физиологических цветах». Иначе говоря, он создал ветвь биофизической науки. В 20-е гг. прошлого века два крупных физиолога — Ян Пуркинье и Иоганнес Мюллер продолжили дело Гёте, объявив себя его последователями.
      В Веймаре в доме-музее Гёте мне довелось видеть нарисованную им картину, изображающую синие тени деревьев на розовом фоне. Такую псевдоокраску в лучах заходящего солнца мы можем наблюдать в реальной жизни. Гёте заметил и талантливо систематизировал эти явления, но не мог дать им правильного объяснения. Это было сделано его последователями.
      Для создания любого цвета достаточно смешать в разных пропорциях три основных цвета — красный, зеленый и синий. В начале XIX в. была выдвинута гипотеза о существовании в сетчатке глаза трех родов чувствительных приемников, реагирующих на три основных цвета, т. е. на свет различных длин волн. В 1855 г. с помощью трех фильтров получили первую цветную фотографию, своеобразную заявку на цветное кино и телевидение.
      Позднее, уже в XX в., выяснилось, что каждый приемник воспринимает с максимальной чувствительностью лишь один из основных цветов, хотя и способен реагировать на более широкую область спектра. Исследования показали, что цветную картину мира, подобную той, которую мы видим, «созерцают» далеко не все живые организмы. Это зависит от числа и спектральной характеристики приемников — колбочек. Например, у лягушки и черепахи по два приемника. У лягушки максимум чувствительности обоих приемников расположен ближе к красной области спектра, так что она смотрит на мир как бы сквозь розовые очки, а черепаха — сквозь зеленые. Светочувствительные клетки морской
      свинки обладают одним приемником. Перед морской свинкой окружающий мир должен предстать в виде черно-белой фотографии. Зрительное восприятие дождевого червя ограничивается лишь определением направления на светящееся тело. Не только цветного, но и черно-белого изображения для него не существует. У человека клетки сумеречного зрения — палочки — имеют также один приемник, поэтому в сумерках все предметы серые.
      Гёте установил, что если белый экран осветить синими лучами, а затем синее освещение убрать и осветить экран белым светом, то зрителям он будет представляться окрашенным в розовый цвет. Иными словами: белые» предметы всегда окрашены в цвет, дополнительный к тому, который перед этим на них падал. Теперь это явление носит название цветовой адаптации и объясняется так: раздражение колбочек светом определенной длины волны приводит к уменьшению чувствительности (утомлению) соответствующего приемника (который имеет максимум чувствительности на этой длине волны), в то время как чувствительность двух других приемников остается без изменения. Так появляется субъективная окраска, сдвигающая область цветоощущения человека либо в сторону красного, либо в сторону синего цвета. Подобное явление наблюдается при замене белого фона цветным.
      Уменьшение чувствительности одного из приемников заставляет видеть на подкрашенном фоне такой цвет, который на белом фоне был бы совсем другим. Вспомните голубые тени в розоватых лучах заходящего солнца. Можно довольно точно рассчитать, цветом какой интенсивности следует подкрасить фон, чтобы уменьшить чувствительность одного из приемников. Тогда вся гамма красок получается уже не естественной, а как бы подкрашенной одним из основных цветов.
      Гёте и Ньютон изучали с разных сторон проблему цветности. Гёте исследовал биофизику цветного зрения, Ньютон и его школа — физику внешних оптических раздражителей, вызывающих ощущение цвета. Оба взаимно дополняли друг друга, а не исключали один другого, как думал Гёте. Возможно, что вражда Гёте к Ньютону объясняется тем, что он хотел «отвоевать» научную область для своего учения о цвете, полагая, что ньютоновское учение о цвете исключает всякое иное. Образно Гёте это высказал в предисловии к своей книге, сравнивая учение Ньютона со старым замком, утратившим всякое военное значение, в котором караул несут инвалиды, мнящие себя во всеоружии. Он требовал разрушить до основания «это старое гнездо крыс и сов» и на освободившемся месте построить новую крепость.
      Таким образом, в области понимания цветоощущения, несмотря на откровенную вражду к учению Ньютона, столь повредившую Гёте, сам он оказался новатором.
      В 1959 г. в американской печати появилось сенсационное сообщение: «Теория цветного зрения рухнула! Эксперименты Эдвина Г. Лэнда доказали, что глаз человека совсем не нуждается в красных световых волнах, чтобы видеть красный цвет, в оранжевых — оранжевый, в желтых — желтый. Комбинируя два светофильтра при фотографировании и последующем проецировании полученного черно-белого снимка на экран, Лэнд воспроизводит всю естественную гамму красок, присущую объекту».
      Можно с уверенностью сказать, что в этом сообщении было, по крайней мере, две неточности: во-первых, фотографии Лэнда не отражают естественную гамму красок; во-вторых, эффекты, полученные Лэндом, легко объясняются с позиции трехцветной теории зрения. Опыты Лэнда сводились к подкраске фона, что изменяло чувствительность одного из приемников в нашем глазу и соответственно вело к псевдоокраске.
      Это сообщение было как бы запоздавшим на столетие эхом, пришедшим из дискуссии между последователями Ньютона и Гёте.
      Перенос зарядов в металлах и живых системах.
      Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта. Два современника: профессор анатомии и молодой физик, оба жили и работали в Италии, их научный спор породил одно из крупнейших открытий XVIII в.
      I. Гальвани начал свои анатомические исследования мышечных движений в 1773 г. в Болонском университете, а в 1780 г. провел первые электро-физиологические опыты. Спустя 11 лет он опубликовал книгу «Трактат о силах электричества при мышечном движении». I. Гальвани так описывает начало работы: «Я разрезал и препарировал лягушку... Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это уда ется тогда, когда из кондуктора машины извлекаете я искра... Я зажегся страстным желанием исслрдо-вать это явление...»
      Гальвани обнаружил, что сокращения вызываются не только искрами из электрической машины, но и атмосферным электричеством, искрами, извлекаемыми из лейденской банки и даже при соединении мышц и нервов металлическим проводом. Последнее он считал особенно важным. «Животным присуще электричество, которое мы позволили себе обозначить вместе с Бертолонием и другими некоторым общим названием животного», — писал он. В 1795 г. Гальвани изложил гипотезу о животном электричестве». Он считал, что электричество накапливается в мышечных тканях; через нерв, соприкасающийся с мышцей, оно переходит в металлический провод, а через него вновь возвращается в мышцу.
      А. Вольта был на 8 лет моложе Гальвани и принадлежал к той группе физиков, которые с недоверием относились к «животному электричеству». Он считал, что такого электричества вообще не существует, за исключением случаев электрических рыб. Ознакомившись с работой Гальвани, Вольта решил повторить его опыты. В результате, как пишет сам Вольта, от недоверия он перешел к фанатизму». Это было 5 мая 1794 г. Тем не менее его полностью не покинуло чувство сомнения. Он выдвигает против « животного электричества» ряд аргументов: лягушка (ее мышцы и нервы) — это просто измерительный прибор — электрометр, но очень чувствительный; нервы представляют собой отрицательную обкладку конденсатора, а мышцы — положительную (обратно тому, что утверждает Гальвани); сокращение мышц, включенных в круговую цепь с нервами, возникает лишь в том случае, когда провода дуги, замыкающей цепь, изготовлены из разных металлов.
      Через 9 дней Вольта, после публичного выражения согласия с теорией Гальвани, вновь перешел в наступление. Вторая его лекция была 14 мая 1794 г. Вольта нашел, что наш язык представляет собой чувствительный индикатор электричества. «Кисловатый» привкус при одновременном приложении к кончику языка оловянной или свинцовой пластинки, а к его середине серебряной или золо-
      той монеты, замкнутой в цепь с первой, совпадал с « привкусом» наэлектризованного проводника, когда его подносили к кончику языка на такое расстояние, что искра еще не проскакивала. Вольта обнаружил: если поменять на языке местами металлические предметы, то кисловатый вкус переходит в «щелочной», т. е. отдает горечью. На основании этого он сделал вывод, что генератором электричества являются металлы, а не биологический объект. Началась борьба. Гальвани и его сторонники пытались из эксперимента исключить металлические проводники, а Вольта — биологический объект. Оба они достигли своей цели.
      Вольта в результате длительной серии опытов расположил металлы в ряд, построенный так, что больший эффект соответствовал металлам или их сплавам, удаленным друг от друга в этом ряду (цинк, олово, свинец, железо, латунь, бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть).
      Гальвани в одном из опытов особым образом препарировал лягушку, к ее телу остались присоединенными лишь бедренные нервы, а обе половинки лягушки затем были изогнуты так, что нервы касались голых бедренных мышц; каждое касание вызывало вздрагивание тела лягушки.
      Вольта ответил на это обобщением собственной теории. Он утверждал, что нарушение электрического равновесия наступает не только при контакте проводников первого рода, т. е. металлов, но и при контакте проводников второго рода. Короче говоря, нарушение равновесия наступает при контакте любых двух различных веществ, а следовательно, и при соприкосновении двух различных частей лягушки. Использовав результаты опыта Гальвани, Вольта так сформулировал закон контактных напряжений: если разнородность соприкасающихся
      частей ни в чем не проявляется, то сам факт нарушения электрического равновесия должен свидетельствовать об этом.
      «Чаша весов» склонялась в пользу Вольта. Он продолжал свои опыты с вполне определенной целью — найти способ увеличения эффекта, который слишком слабо выражен при контакте только двух металлов. Три с половиной месяца спустя после смерти Гальвани Вольта пишет Джозефу Бэнксу — президенту Королевского общества о создании им нового прибора — «искусственного электрического органа» по аналогии с естественным электрическим органом у электрического ската. Позже этот аппарат стали называть вольтовым столбом.
      Хотя Вольта выглядел победителем, но Гальвани не был побежденным, так как исключил из своих опытов все физические факторы и на биологических объектах получил искомый феномен. Поэтому спор между сторонниками Гальвани и Вольта продолжался. Особенно он ожесточился в XIX столетии. Трудами последователей этот спор был решен в пользу обоих талантливых ученых. Карло Мат-теуччи подвел итог этой дискуссии и показал существование «животного электричества», обладающего теми же свойствами, что и обычное электричество, а не отличного от него по своей природе. Так кончилась полемика, началась эпоха электротехники и родился один из разделов биофизики — электрофизиология.
      Кванты света и фотосинтез растений. Климент Аркадьевич Тимирязев и Петр Петрович Лазарев. Два наших соотечественника: основоположник исследований в области фотосинтеза, крупный ботаник, химик, физиолог, с одной стороны, и крупный биофизик, фотохимик и геофизик, с другой.
      К. А. Тимирязев — ученый с мировым именем, его взгляды формировались в 60-х гг. прошлого века. Эти годы отличались подъемом революционно-демократического движения. Еще студентом К. А. Тимирязев отказался подписать обязательство не участвовать в сходках и был исключен из университета. С тех пор он был верен революционным традициям передовой интеллигенции. Незадолго до смерти дворянин К. А. Тимирязев был избран членом Московского Совета рабочих, крестьянских и красноармейских депутатов и очень гордился этим званием. К. А. Тимирязев умер в возрасте 77 лет, не успев дописать предисловие к своей знаменитой книге «Солнце, жизнь и хлорофилл». В этом незаконченном труде имеются едкие замечания в адрес тогда молодого академика П. П. Лазарева.
      С именем П. П. Лазарева, ученика великого русского физика П. Н. Лебедева, связана первая крупная научная экспедиция по исследованию Курской магнитной аномалии, организованная в 20-е гг., и создание отечественной отрасли промышленности по производству рентгеновского медицинского оборудования.
      К. А. Тимирязев писал о П. П. Лазареве: «Раз какое-нибудь явление признается за действие света, тем самым признается, что оно зависит от светосиль-ности источника, от его яркости. Так, по-видимому, думает и выдающий себя за специалиста П. П. Лазарев в первом своем академическом труде». Далее К. А. Тимирязев дает сноску: «В том не дают отчета даже наши фотохимики, считающие себя авторитетами в этой области, — стоит прочесть первую страницу недавно вышедшего произведения академика П. П. Лазарева».
      Через шесть страниц в этом же предисловии читаем: «В фотохимии существовал закон, что физическое действие зависит в цветных телах от лучей цветности, комплементарной цвету изменяющегося вещества, или, выражаясь проще, что действие зависит от лучей, поглощаемых данным телом. Открытие этого закона обыкновенно приписывали Гершелю (в 1842 г.) Я первый в 1892 г. обратил внимание на оставшиеся не замеченными фотохимиками и теоретиками фотографии исследования Гротгуса (в 1818 г. в Митаве), в первый раз установившие этот закон». Далее снова имеется сноска: «В первый раз я указал на Гротгуса в 1892 году, а в 1895 году показывал на публичной лекции в проекции на экран его опыт. Отмечаю это потому, что господин Лазарев и его сотрудники считают этот закон и его демонстрацию на экране основным фактом в фотохимии и приписывают его Лазареву; теперь и Лазарев сам себе его приписывает».
      Что так не понравилось К. А. Тимирязеву в работах П. П. Лазарева?
      Оба действующих лица — творческие личности. Разъединяет их только время, разница в возрасте — 35 лет. Хотя жизненные пути К. А. Тимирязева и П. П. Лазарева перехлестнулись, однако если учесть ускоряющийся темп развития науки, то эти два ученых относятся к разным научным эпохам. Этим объясняется односторонний характер конфликта — резкая критика со стороны К. А. Тимирязева и сдержанная реакция со стороны П. П. Лазарева.
      Профессор К. А. Тимирязев и студент П. П. Лазарев в течение нескольких лет встречались на знаменитых коллоквиумах, проводимых П. Н. Лебедевым в помещении Столетовской библиотеки в Московском университете. К. А. Тимирязев среди студентов и профессуры был известен левыми взглядами. В 1892 г. его уволили из Петровской академии за пропаганду дарвинизма. У официальных властей он слыл человеком «неблагонадежным, дурного либерального толка». Князь Мещерский о нем сказал: «Профессор Петровской академии Тимирязев на казенный счет изгоняет бога из природы».
      В научных статьях и дискуссиях К. А. Тимирязев отличался горячностью, непримиримостью, не искал дипломатических выражений. Человек большой эрудиции, великолепно знавший историю науки, он резко реагировал на любую, даже мелкую ошибку в трактовке научного приоритета. Когда читаешь труды К. А. Тимирязева, то обращаешь внимание на их особый полемический характер.
      В начале 1911 г. полицейские репрессии, связанные со студенческими волнениями, вызвали протест в Московском университете. В результате по приказу министра народного просвещения ректор университета и его помощники были уволены. Тогда 124 профессора и доцента Московского университета ушли из него. Среди них были профессора К. А. Тимирязев, П. Н. Лебедев и 33-летний магистр физики приват-доцент университета П. П. Лазарев.
      Дружба Тимирязева с Лебедевым имеет принципиальное значение для понимания конфликта. Лебедев был наиболее талантливым русским физиком-экспериментатором конца XIX — начала XX в. Ему принадлежали классические работы, доказавшие существование светового давления. Тимирязев же вводил физический метод в исследование физиологии растений. «Стремление стать физиком», по словам Тимирязева, было его мечтой. Он с большим уважением относился к Лебедеву и хотел, чтобы кто-то из близких их последователей продолжил развитие симбиоза физики и физиологии растений. В марте 1912 г. П. Н. Лебедева не стало. Лабораторию возглавил П. П. Лазарев.
      В отличие от Тимирязева, который хотел «проследить судьбу солнечного луча в растении», молодой Лазарев хотел проследить за судьбой солнечного луча в живом глазу, т. е. «наблюдать разложение зрительного пурпура». Таким образом, в ла-
      боратории существенное место стали уделять вопросам фотохимии зрения и физиологической оптики и не привился интерес к проблемам фотосинтеза и физиологии растений.
      Еще в 1868 г. Тимирязев поставил задачу определить, какие составные части солнечного луча участвуют» в процессе фотосинтеза. В 30—40-х гг. XIX в. англичанин Добэни и американец Дрэпер экспериментально» показали, что разложение углекислоты зеленым листом идет под действием наиболее яркой части видимого, спектра солнечных лучей, т. е. желтой. Тимирязев усомнился в правильности этих выводов и сам снял спектральную кривую поглощения света хлорофиллом.
      П. П. Лазарев в работе О кинетике фотохимических реакций», которую он доложил 5 февраля 1919 г., говорил: Экспериментальные исследования показали, что скорость элементарной фотохимической реакции пропорциональна количеству поглощенной светочувствительным веществом энергии и не зависит от длины волны луча в предположении, что полоса поглощения простая и не содержит вторичных максимумов».
      Кто же прав в этом случае? Зависит ли результат фотохимических реакций от яркости источника света или не зависит?
      Дальнейшее развитие науки показало, что в утверждающей своей части правы оба ученых. Критика была основана на недоразумении, нечеткости существовавших определений и недостаточности экспериментальных данных. Тимирязев считал, что яркость» — это физиологическое понятие, связанное с восприятием света глазом. Для колбочек нашего глаза наиболее ярким кажется желтый цвет. Лазарев же в работе О кинетике фотохимических реакций» использовал понятие яркость» в физическом (фотометрическом), а не физиологическом смысле. В физике было принято следующее определение: яркость протяженного источника света определяется отношением силы света в данном направлении к поверхности источника, видимой по этому направлению. В этом определении нет ни слова о длине волны (или о цвете) излучаемого источником света. Таким образом, критика Тимирязева в адрес Лазарева была основана на недоразумении, так как за 60 лет развития физики понятие яркость» наполнилось другим содержанием.
      К. А. Тимирязев правильно считал, что энергия света прежде всего зависит от длины волны, но при этом, как и многие в то время, заблуждался, приписывая наибольшую энергию теплой (красной) области видимого спектра. Однако в 1888 г. Генрих Герц заметил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника значительно облегчается, если один из них осветить ультрафиолетовым светом. Затем это явление было подробно изучено А. Г. Столетовым. Скорость фотоэлектронов, выбиваемых светом, росла с увеличением частоты падающего света, а число фотоэлектронов было пропорционально его интенсивности.
      В 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, исходя из корпускулярной теории света. Фотон, поглощаясь, отдает свою энергию hv [h — постоянная Планка, v — частота) электрону, и если эта энергия достаточна для того, чтобы освободить электрон от удерживающих его связей, то он выходит за пределы поверхности материала. Таким образом, прав Тимирязев — фотохимический эффект зависит от длины волны (частоты) света.
      Однако так как вероятность одновременного поглощения двух фотонов одним электроном ничтожно мала, то каждый освобожденный электрон заимствует свою энергию у одного фотона (обратное,
      вообще говоря, не происходит, т. е. не каждый поглощенный фотон освобождает электрон). Поэтому число освобождаемых фотоэлектронов должно быть пропорционально числу поглощенных фотонов, т. е. пропорционально интенсивности света (закон Столетова). Следовательно, Лазарев тоже прав, ибо он утверждал, что при данной длине волны фотохимический эффект зависит от интенсивности источника (его яркости), т. е. от числа фотонов.
      Таким образом, если записать укрупненно уравнение фотосинтеза
      6С02 + 6Н20 + nhv = С6Н1206 + 602 и рассмотреть третье слагаемое в левой его части, то там п — число фотонов (яркость источника), о чем писал Лазарев, и hv — энергия фотона, на чем настаивает Тимирязев.
      Снятию спектра поглощения хлорофилла и рассмотрению проблем фотосинтеза К. А. Тимирязев посвятил 35 лет. На современном спектрофотометре лаборант снимает спектр за 2—3 мин. Наши сегодняшние колоссальные успехи по расшифровке молекулярных процессов фотосинтеза в значительной степени связаны с работой, которую выполнил К. А. Тимирязев во второй половине XIX в.
      Колебательная химическая реакция. Борис Павлович Белоусов. Советский биофизик, имя которого сегодня известно во всем мире. Спустя 12 лет после смерти Б. П. Белоусова главный редактор журнала «Химия и жизнь» академик И. В. Петрянов-Соколов писал: «Публикуемая здесь статья (Б. П. Белоусова) не принадлежит к числу научно-популярных. Это — текст первого сообщения о замечательном открытии: периодически действующей, колебательной химической реакции. Текст этот напечатан не был. Автор послал свою рукопись в 1951 г. в научный журнал. Редакция отправила статью на
      рецензию и получила отрицательный отзыв. Основание: описанная в статье реакция невозможна... Только в 1959 г. в малоизвестном сборнике был напечатан краткий реферат. Редакция Химия и жизнь» предоставляет читателю возможность познакомиться с текстом и необычной судьбой первого сообщения о большом открытии...»
      Б. П. Белоусов получил образование в Высшей технической школе Цюриха (Швейцария). В первые годы Советской власти, вернувшись на Родину, преподавал химическую защиту на курсах Красной Армии. Впоследствии эти курсы стали Химической академией РККА. В 1939 г. вышел в отставку в звании комбрига (генерал-майора).
      С 1947 г. он работает в одной из химических лабораторий Института биофизики Министерства здравоохранения СССР. В стенах этого института ему удалось сделать открытие, которое повлияло и продолжает влиять на развитие не только биофизи-
      ки, но и многих других наук. Им была открыта колебательная химическая реакция.
      В начале 50-х гг. Б. П. Белоусов сделал простой эксперимент. Приготовив при комнатной температуре раствор следующего состава: лимонная кислота — 2,00 г, сульфат церия — 0,16 г, бромат калия — 0,20 г, серная кислота (1:3) — 2,0 мл, вода до общего объема — 10,0 мл, он показал, что реакция окисления лимонной кислоты броматом в смеси протекает обратимо. Церий (металл переменной валентности)'играл роль маятника: он появлялся то в окисленной, то в восстановленной форме. Как следствие — раствор периодически менял окраску: становился то желтым, то бесцветным. Впервые был открыт «химический маятник». Белоусов послал статью в журнал и получил отказ. Безымянный оппонент вместо того, чтобы проверить реакцию, заявил: «Такого в химических процессах не бывает». Белоусов продолжает исследования, вновь посылает в 1957 г. статью в другой журнал — и вновь отказ.
      Химические колебания, возникающие в растворе, не нужно было выявлять тонкими приборами — раствор в пробирке периодически менял цвет, сообщая о том, что «химический маятник» качается. Столь очевидный колебательный процесс нельзя было не признать. Сомнения вызывали следующие вопросы: насколько это чисто химический процесс, насколько однородна, гомогенна среда, в которой идут реакции, не примешиваются ли к химическим реакциям какие-либо иные процессы. Оппонентам, однако, было «известно», что химические колебания невозможны. Поэтому сообщение об открытии химических колебаний и не было напечатано ни одним научным химическим журналом. Опубликовано оно было только в 1959 г. в «Сборнике рефератов по радиационной медицине».
      Признание пришло через несколько лет, после того как аспирант Института биологической физики АН СССР А. М. Жаботинский по рекомендации своего руководителя профессора С. Э. Шноля исследовал ряд аналогичных колебательных химических реакций. Сомнений не было — реакции идут в гомогенном растворе, процесс чисто химический. Работа А. М. Жаботинского и А. Н. Заикина была опубликована в 1970 г. в международном журнале «Ней-чур». Открытие « химических маятников» стало сенсацией. К началу 70-х гг. подробные описания колебательных реакций, открытых Б. П. Белоусовым, обошли крупнейшие научные журналы мира, и за ними укрепилось название реакций Белоусова — Жаботинского.
      Не окажись рядом с Б. П. Белоусовым доброжелательного С. Э. Шноля, и открытая реакция была бы предана забвению, что неизбежно привело бы к задержке выяснения биофизических механизмов авто-волновых процессов.
      Б. П. Белоусов был удостоен посмертно высшей научной награды Родины — Ленинской премии в области науки и техники. Полный текст статьи Б. П. Белоусова, сохраненный С. Э. Шнолем, был напечатан в 1981 г. в сборнике « Автоволновые процессы в системах с диффузией», а через год в журнале «Химия и жизнь». Маленькая заметка об этой реакции, опубликованная в реферативном журнале в 1959 г., сегодня побивает рекорды цитируемости. Целесообразно привести несколько высказываний специалистов.
      Профессор Кристиан Видаль (Франция): «Открытие автоколебательных реакций, а затем автоволн представляет собой важный вклад в развитие науки. Это мнение подтверждается многочисленными работами по этой проблеме, которые проводились и проводятся в самых различных областях науки — сначала в биохимии, затем в биологии и физике. Благодаря этому открытию и работам Брюссельской школы, руководимой проф. Пригожиным (Нобелевская премия в области химии 1977 г.), наши знания в области эволюции биологических систем стали теперь глубокими».
      Нобелевский лауреат профессор И. Пригожин (Бельгия): « Работа по автоколебательным реакциям приобрела всемирное признание... внесла огромный вклад в укрепление авторитета советской науки».
      Профессор А. Т. Винфри (США): «Эти исследования сильно повлияли на мою собственную работу, на работу ученых моей страны и Европы...»
      Реакция Б. П. Белоусова определила развитие нового биофизического направления исследований — возникновение автоволновой неустойчивости, хаоса и способов управления этими режимами, что важно для понимания механизмов работы сердца, мозга, кишечника и многих других пульсирующих органов.
      После краткого введения в историю биофизики рассмотрим некоторые из интересных научных задач, которые решаются биофизиками совместно со специалистами из других областей знаний.
     
     
      Пространство кто как видит. В поисках третьего измерения
     
      И знаем мы: под этой дымкой
      Все то, по чем душа болит,
      Какой-то странной невидимкой
      От нас таится — и молчит.
      Ф. Я. Тютчев
     
      Раскосые глаза не редкость в царстве животных. У человека или обезьяны оси глаз почти параллельны, у льва они образуют угол в 10°, у кошки — 14—18°, у собаки — 30—50°, у оленя — более 100°, у жирафа — 140°, у зайца — 170°. Если поля зрения не соприкасаются, то стереоскопичность восприятия затруднена. Как же существуют животные с раскосыми глазами в трехмерном мире? Этот недостаток» может быть скомпенсирован поворотами головы, раздельным управлением движения глаз и работой мозга. Самый яркий пример — глаза хамелеона: каждый вращается отдельно.
      В 1884 г. в Лондоне вышел в свет фантастический роман английского писателя Е. А. Эббота (псевдоним Квадрат) Плоский мир». В нем рассказывалось о двумерном мире, населенном существами, которые в зависимости от уровня организации имели различную форму. Наиболее развитые из них представляли собой многоугольники, наименее развитые — отрезки. Существовали и другие попытки представить себе физический мир с меньшим или большим числом измерений.
      Объект восприятия — пространство. Предметы, окружающие нас, трехмерны. Однако изображение их на сетчатке двумерно. Формирование образа трехмерного объекта — процесс далеко не простой. В нем участвуют как бессознательные, чисто рефлекторные акты, так и логические операции. Как же человек осваивал трехмерный мир, данный ему в ощущениях? Как пытался найти закономерности при изображении его на плоскости, каким путем интерпретировал пространственные объекты, невиданные ранее, как путем точных вычислений и современной техники научился реконструировать объем по сечениям и проекциям, наконец, как изобрел физические методы, способные создать в отсутствие предмета видимый его эквивалент, его объемный фантом?
      Соотношение между зрительным ощущением перспективы и третьим измерением предметов интересовало еще древних греков. Пифагорийцы выдвинули гипотезу об особом флюиде, который испускается глазами и «ощупывает» предметы. Атомисты, напротив, были сторонниками испускания предметами «призраков», которые, попадая в глаза, приносят ощущение формы и глубины. Платон попытался примирить обе эти теории.
      Согласно Платону, от предметов исходит специальный флюид, который встречается со «светом дня», бьющим из наших глаз. Если оба флюида подобны друг другу, то, встречаясь, они «связываются» и глаза получают ощущение глубины видимого. Если же «свет очей» (выражение, сохранившееся от теории Платона) встречается с несхожим флюидом, он гаснет и не дает ощущений.
      Несмотря на наивность физической трактовки восприятия, древние греки достигли больших успехов в геометрической оптике. Евклид старался подчеркнуть геометрический характер оптических изображений. Великий астроном Птолемей не ограничился, как Евклид, рассмотрением геометрической оптики, он обсуждал физические процессы, лежащие в основе зрения, и связанные с ними оптические иллюзии. Во второй половине I в. вследствие нашествия варваров традиции греков были забыты. Понадобилось десять веков, чтобы человек вновь спросил себя: «Какова связь между моими ощущениями и реальным миром?»
      Знаменитый францисканский монах Роджер Бэкон, живший в XIII в., писал о том, что опыт не может основываться лишь на внешних ощущениях, потому что он не полностью говорит о вещах телесных и ничего не говорит о духовных. Громадную роль в пространственной ориентации играет наше сознание.
      В мозгу производится синтез зрительного образа и извлечение информации о его геометрической
      протяженности и пространственной ориентации из двух в общем-то несовершенных, перевернутых и искривленных шарообразной формой глазного яблока изображений. Чтобы получить информацию о глубине, необходимо иметь, по крайней мере, два плоских изображения, смещенных на некоторый угол.
      Глаза человека могут поворачиваться в глазных впадинах более чем на 80° в вертикальном и горизонтальном направлениях, мозг регистрирует сигналы о натяжении мышц глаза (аккомодация хрусталика), кроме того, существенная роль принадлежит тремору — мелким движениям глазного яблока.
      Корректирующая работа мозга при пространственном восприятии чрезвычайно велика. Именно этим объясняется постоянство в восприятии размеров предметов в некотором диапазоне расстояний, когда изображения на сетчатке, безусловно, претерпевают изменения. Иногда наблюдается обратное явление, например не нашедшее еще объяснения кажущееся увеличение размеров Солнца и Луны у линии горизонта. Этот парадокс был известен еще Архимеду.
      Склонность человека к рисованию — одно из самых древних проявлений человеческих способностей. Однако передача глубины, выявление точных пространственных отношений в изобразительном искусстве появились не сразу.
      В древнем египетском искусстве вообще не пользовались приемами передачи глубины. Отсюда не следует, что египетские художники видели мир плоским. Существует предположение, что отсутствие глубины в картинах египтян связано с традицией или религиозным запретом. Однако вероятно, что они просто не знали законов изображения перспективы. Греческие художники при росписи ваз уже пользовались некоторыми примитивными приемами пространственного отображения, в частности сокращением размеров отдаленных деталей.
      В древнерусской, так же как и в византийской, живописи передача глубины носила необычайный для зрителя характер, получивший название обратной перспективы. Суть этого метода состояла в увеличении линейных размеров участков изображения с удалением по глубине. Поскольку средневековая живопись основное внимание уделяла изображению «божественных сюжетов», существует мнение, что обратная перспектива была призвана подчеркнуть на картинах другие физические закономерности, которым подчиняется изображаемый художником «иной мир».
      Не отрицая обоснованности такой точки зрения, следует отметить, что имеется и другая, более «земная» гипотеза, связывающая обратную перспективу с эмпирическими поисками средневековым художником закономерностей человеческого восприятия пространства.
      Планомерное изучение законов перспективы началось в эпоху Возрождения. Связано это было с развивающимися потребностями архитектуры, с необходимостью представить достоверное изображение объекта в рисунке. Лишь в первой половине XIV в. итальянский художник и архитектор Джотто приступил к решению задачи пространственного отображения предметов на плоскости. Леонардо да Винчи сформулировал закономерности геометрической перспективы, использовал в живописи принципы воздушной перспективы.
      Искусство Возрождения в центр мира поставило человека. Идея познаваемости Вселенной, хозяином которой является человек, стала главенствующей. Живопись того времени интерпретировала мир по законам геометрической и воздушной перспективы: предметы по мере их удаления равномерно уменыпались, теряли четкость очертаний, приобретали мягкий, голубоватый тон. Ощущение доступности, познаваемости этого мира, который так удобно наблюдать, смещая взгляд в глубину изображенного пространства, — главное в искусстве той эпохи.
      Позднее, в XVII в., изображение глубины становится более изощренным, расширяется горизонтальная протяженность изображаемого пространства. Картины отличаются четко выраженными пространственными композициями.
      Несмотря на сложность геометрических построений, предметы и вещи, изображаемые на холстах, продолжают оставаться прочными и устойчивыми, а объемные признаки их — неизменными. Художник изображает пространство, прежде всего, каким он его видит, и лишь затем — каким знает. Конечно, для этого нужен тренированный глаз, способность увидеть более краткие мгновения. Но поскольку мир пребывает в постоянном движении, пространство оказывается «деформированным» временем. Рушится понятие неизменности, незыблемости.
      Импрессионисты предлагают свою трактовку меняющегося мира. Вместо мира, каким мы его видим, они изображают свое впечатление от него. Изображение объективных пространственных закономерностей подменяется их субъективными представлениями о меняющемся мире. Пространственные отношения уступают временным.
      Поиски художественного воплощения пространственных отношений в живописи продолжаются. Выдающийся французский художник Поль Сезанн пытается расширить и углубить задачи живописи. Его картины (будь то портрет, пейзаж или натюрморт) результат длительного, тщательного изучения натуры. «Время и размышления изменяют мало-помалу впечатления от виденного, и, наконец, к нам приходит понимание... Изучение изменяет наше зрение», — писал Сезанн в письме к французскому художнику Э. Бернару. Метод Сезанна в живописи близок науке. Главные его этапы — это анализ, систематизация и, наконец, синтез. Динамизм природы Сезанн пытается представить не мгновенным, стробированным» субъективным впечатлением, как импрессионисты, а путем художественного осознания всей глубины этого процесса. Линейная перспектива уже не может вместить представлений о пространственно-временных отношениях окружающего мира. Искусствоведческий анализ полотен Сезанна приводит к мысли о применении им принципов отражения пространства с использованием сфероидной перспективы.
      Таким образом, художник дает свою интерпретацию окружающего мира, в том числе и пространственных отношений предметов, расширяя и углубляя наши представления о природе.
      Исследованием трехмерной организации объектов занимались не только художники, но и ученые. Только это были не виды горных цепей и речных долин, не портреты знаменитостей или близких людей, это были странные, фантастические, не привычные человеческому глазу изображения далеких планет и микроскопических существ.
      Развитие астрономии и микроскопии заставило ученых искать пути трехмерной интерпретации увиденных ими гигантов и карликов. Причем прошлый, приобретенный в обыденной жизни опыт уже не мог им пригодиться, настолько необычные картины, не похожие на все, что они видели раньше, открывались им. Приборы они делали сами: Галилей собрал первый телескоп (это был рефрактор с аппаратурой в 2,5 см), в первых микроскопах Левенгука в качестве линз использовались капельки меда. Но человечество так мало знало, что даже эта примитивная техника сулила великие открытия. Когда Галилей увидел планету Сатурн, то не смог понять, что он видит. Он не мог представить себе, что планета может быть окружена кольцом. Поэтому увиденное он описал как «тройственный объект». Исследование Сатурна продолжил X. Гюйгенс. Серии зарисовок планеты (см. рис.), которую ученый наблюдал в разных ракурсах, помогли, наконец, ему прийти к правильному выводу. «Планета окружена, — решил Гюйгенс, — тонким кольцом, нигде не прикрепленным к телу планеты».
      Непосредственно увидеть кольцо Сатурна в небольшой телескоп, которым пользовался Гюйгенс, да еще с учетом атмосферных колебаний, весьма затруднительно (об этом свидетельствуют зарисовки Гюйгенса). Поэтому здесь вполне очевидна анализирующая работа мозга в процессе «видения» трехмерных объектов.
      С развитием техники наше зрение получило возможность не только видеть предметы, удаленные на громадные расстояния, но и проникать в глубины материи, наблюдая мельчайшие элементы живой и неживой природы. И поскольку ученые в своих исследованиях всегда находятся в области неизвестного, где прошлый опыт почти всегда бессилен, а будущие знания еще эфемерны, единственное, на что исследователь может надеяться, — это на хорошо и точно работающие приборы, надежные, проверенные методики. Именно поэтому годами тщательно шлифовал свои линзы Левенгук, микроскописты шаг за шагом разрабатывали методы коррекции различных искажений (аберраций) микроскопических систем. Именно поэтому в современной биофизике ведутся работы по точной количественной интерпретации трехмерной организации биологических микроструктур.
      Анализ строения объекта по его сечениям. 1960 г. Нью-Йорк. Идет Международный конгресс анатомов. В перерыве между заседаниями участники конгресса осматривали город, отдыхали. Прогулка под парусом вокруг острова Манхэттен — прекрасное развлечение. Судьба случайно свела в одной яхте европейца и американца. Разговорившись, они выяснили, что оба, исследуя срезы трехмерных биологических структур, используют количественные статистико-геометрические методы, однако эти методы развиты слабо, из-за чего часто возникают трудности. Собеседники пришли к выводу, что желательно обсудить с коллегами, интересующимися количественным исследованием трехмерных структур, задачи, которые при этом возникают. Объявление в нескольких научных журналах собрало 11 мая 1961 г. в горах Фельдберга (Шварцвальд) 11 ученых. Так появились термин «стереология» и «Международное стереологическое общество». Американский морфолог Ганс Элиас именно так описывает историю возникновения стереологии — сравнительно молодой ветви прикладной математики и биофизики, разрабатывающей методы исследования трехмерной структуры тел, когда известны только их сечения или проекции на плоскость.
      Молодая наука нашла почитателей. Международное стереологическое общество объединило деятелей таких, казалось бы, разных областей знаний, как биофизика, минералогия, металлография, математика, и даже представителей искусства. Очевидно, что возникновение стереологии было продиктовано предшествующей историей развития науки. Встрече в Нью-Йорке Г. Элиаса и Э. Вейбела предшествовали работы наших соотечественников.
      19 июля 1932 г. молодой советский математик А. А. Глаголев подал заявку на изобретение, а через два года опубликовал статью о новом микроскопическом анализе горных пород методом «точек». (Спустя 30 лет этот метод станет классическим в стереологии.)
      Другой советский специалист — С. А. Салтыков в 1938 г. применил метод «точек» в исследовании металлов, затем им были созданы многие другие количественные способы описания структуры. В 1950 г. появилась его книга «Стереометрическая металлография», которая выдержала три издания и была переведена на несколько языков.
      Весной 1959 г. академик Г. М. Франк в Институте биологической физики АН СССР поставил перед нами задачу: «Создать семейство вычислительных автоматов для исследования геометрии и химического состава биологических микроструктур». В результате сложной работы была создана целая серия приборов, разработаны многие машинные стереологические алгоритмы. В 1978 г. эта работа была отмечена Государственной премией СССР в области науки и техники.
      Внутреннее строение твердых непрозрачных тел можно исследовать лишь при условии, что изучаемый материал как-то «приоткрыт». Самый простой способ «открыть» его — разделить на куски. Правда, при этом нарушается целостность трехмерной структуры. Однако в плоскости сечения сохраняются «следы» внутреннего строения. По ним и нужно восстановить количественные характеристики компонентов тела.
      Для получения «следов» непрозрачных объектов (металл, керамика, горные породы) приготовленные сечения шлифуют, полируют, а иногда и протравливают кислотами. Такие препараты называются шлифами. Их можно наблюдать только в отраженном свете. Из полупрозрачных биологических объектов приготавливают тонкие срезы и наблюдают их в проходящем свете.
      Попробуйте определить длину нарисованной линии (см. рис. а на с. 52). Не зная о задаче Бюф-фона, определить ее окажется довольно сложно. Задача Бюффона была известна еще в 1770 г. Позднее она вошла во все учебники по теории вероятностей. В 1970 г. Международное стереологическое общество устроило специальный симпозиум, посвященный 200-летию задачи Бюффона Мог ли мечтать об этом автор задачи Жорж Луи Леклерк Бюффон — директор Ботанического сада в Париже!
      Сформулировать эту задачу можно так (см. рис. б на с. 53): если уронить на пол иглу, то какова вероятность того, что она упадет на щель между двумя соседними досками (ширина половиц q , например q =20 см)? Положение иглы при каждом бросании можем отмечать по месту нахождения середины иглы на половице и углу, образованному иглой и щелью. Изобразим всевозможные положения иглы с помощью диаграммы (см. рис. в на с. 53). Высота прямоугольника равна ширине половицы, а на основании откладываются углы в радианах.
      Возможные положения иглы составляют множество, которое можно интерпретировать как прямоугольник, площадь которого равна лq. Этот прямоугольник будет « пространством выборок», или «пространством вероятностной меры». Какая же часть площади прямоугольника соответствует в нашем опыте тем положениям иглы, при которых она пересечет щель? Интересующая нас площадь состоит из двух участков внутри прямоугольника с криволинейной границей. На рис. они окрашены темнее. Их совместная площадь (ее можно подсчитать путем элементарных тригонометрических выкладок) оказывается равной двум длинам иглы, т. е. 2L. Вероятность того, что игла при падении пересечет щель, равна отношению заштрихованной площади на рисунке ко всей площади прямоугольника, или 2Ъ/щ.
      Если окрашенная игла падала на пол много раз и каждый раз оставляла «след», то в конечном счете следы сольются в линию причудливой формы. Итак, мы бросили иглу N раз (N достаточно велико), и она пересекла щель п раз. Отношение n/N равно вероятности пересечения, а вероятность равна 2L/ лQ , отсюда n/N = 21 /яд. Кроме того, длина линии, составленной из следов иглы при N бросаниях, равна N1; обозначим ее буквой L. Сделав элементарные преобразования, получим выражение длины линии: L = упв.
      Разрезание пространственного скопления трехмерных фигур плоскостью (на рисунке отмечена желтой линией) и сечения этих фигур плоскостью. Измеряя параметры сечений фигур, определяют их объемные характеристики.
      Как же пользоваться этой формулой? Наложим на линию (см. рис. на с. 52) набор параллельных прямых с расстоянием между ними Q (это половицы в задаче Бюффона) и подсчитаем число пересечений п прямых с линией, далее по формуле найдем ее длину.
      Следует помнить, что все положения иглы на полу должны быть равновероятными, а на практике могут встретиться кривые, которые имеют неслучайную ориентацию элементарных отрезков, например вытянутые фигуры. Чтобы в этом случае можно было применить метод Бюффона, нужно несколько раз наложить на кривую набор параллельных линий (см. рис. на с. 52), а результат усреднить.
      Мы рассмотрели элементарный случай из геометрических вероятностей — определение длины изогнутой линии. Однако подобные рассуждения позволяют решать задачи по определению длины перепутанных волокон в пространстве. Примером таких волокон могут служить корни растений, капиллярная кровеносная сеть и т. д.
      Как в любом разделе прикладной математики, в стереологии идут на упрощения, без которых невозможно обойтись при замене реального объекта его математической моделью. Многие стереологические методы предполагают однородность» структуры в
      том смысле, что она должна быть составлена из геометрических тел одного типа, например только из шаров, или из эллипсоидальных фигур, или из вытянутых цилиндров, или из волокон (см. рис. на с. 55). Под каждой из таких структур приведены их следы, полученные на срезе. Размеры тел могут быть различны.
      Как же применить формулы, выведенные для идеализированных однородных структур, к реальным препаратам? Существует избирательная обработка (например, окраска), она широко используется в биологии: покрасьте только ядра клеток, и вы получите идеализированный препарат, составленный из шаров или эллипсоидов; наполните кровеносные сосуды исследуемой ткани тушью — перед вами препарат, состоящий из цилиндров или волокон. Кроме того, сам исследователь или анализирующее автоматическое устройство может выбирать фигуры одного типа, производя их измерение. Задача состоит в том, чтобы по « следам» — сечениям на срезе определить, какие трехмерные фигуры были рассечены и каковы их геометрические параметры.
      Сегодня решено свыше двух десятков подобных задач. Получены формулы для количественного описания ориентации структур, для определения формы включений, для исследования топологических характеристик трехмерных структур и многие другие. Формулы стереологии существенно облегчают количественное исследование трехмерных структур. Правда, на первых порах они вызывали недоверие у биологов. Примечательна история, рассказанная профессором С. М. Блинковым. Лет пятнадцать назад он совместно с одним математиком опубликовал в «Докладах Академии наук» формулу для определения удельной длины кровеносных сосудов в мозгу по их следам на срезах. Это было обобщение формулы Бюффона на трехмерный случай, когда ориентация волокон в пространстве имеет предпочтительное направление. Через три года профессор получил письмо от зарубежных коллег. Они писали, что проверили» применимость формулы: взяли длинную капроновую нить известной длины и свили ее в клубок, затем, растянув клубок в определенном направлении, залили его парафином, приготовили срезы и подсчитали по формуле удельную длину нити, сравнив ее с истинной. Расхождение не превышало нескольких процентов. Было сделано заключение, что формулу можно рекомендовать для морфологических исследований.
      С помощью стереологических методов решены многие практические задачи по определению параметров строения тел, например по изменению фазовой структуры металлов, по вычислению удельной поверхности коры головного мозга животных И т. д.
      Восстановление строения объекта по его проекциям. Оптический микроскоп исчерпал свои возможности в середине XX в. Для повышения его разрешения ученые решили использовать излучение с более короткой длиной волны. При исследовании трехмерных объектов излучение, дифрагированное на его внутренней структуре, создает за объектом поле, распределение амплитуд и фаз в котором связано преобразованием Фурье с распределением плотности в структуре объекта. Эти строгие количественные соотношения между структурой объекта и рассеянным им излучением навели ученых на мысль о возможности расчетного формирования изображения.
      На рис. на с. 58 показан процесс восстановления трехмерной структуры объекта по его проекциям. Объект освещается под разными углами источником излучения. За ним образуется дифракционное поле, которое регистрируется в Фурье-плоскости. Затем изображения дифрагированного излучения собираются расчетным способом вместе и делаются вычисления « обратного» перехода из Фурье-плоскости к реальному объекту.
      Задачи такого плана распространены в структурных исследованиях и получили название обратных дифракционных. Возникают они в тех случаях, например, когда по условиям эксперимента невозможно сформировать увеличенное изображение объекта. Так, из-за высокой проникающей способности рентгеновских лучей трудно изготовить линзы, которые могли бы обеспечить формирование в этом диапазоне изображения. Однако зарегистрировать распределение поля в дальней дифракционной зоне можно, так как для этого не требуется никакой «оптики». Выполнив обратное преобразование Фурье по распределению амплитуд и фаз в обратном пространстве (в Фурье-плоскости), можно расчетным путем восстановить изображение структуры. На этой идее основывается рентгеноструктурный анализ. Этот метод, предложенный в 1912 г. М. Лауэ и П. Книппингом, нашел продолжение в известных работах отца и сына Брэггов и других ученых.
      Одна из известных сложностей рентгеноструктурного анализа состоит в том, что детекторы, используемые для регистрации рассеянного излучения, квадратичны (т. е. регистрируют лишь интенсивности — квадраты амплитуд и не регистрируют фазы). Для расчетного восстановления структуры необходимо знать распределения не только амплитуд, но и фаз в обратном пространстве. Поэтому фазовая проблема считается одной из главных в рентгеноструктурном анализе. Решить ее удается пока далеко не для всех объектов, и методы решения весьма трудоемки.
      Электронный микроскоп, в котором объект «освещается» пучком электронов, также повышает разрешение по сравнению с оптическим микроскопом. Электромагнитные линзы, формирующие изображение объекта, оказались весьма несовершенными. Эквивалентное по качеству изображение в оптическом диапазоне могла бы создать обыкновенная дождевая капля. Сильные и, к сожалению, принципиально неустранимые сферические искажения размывают электронно-микроскопическое изображение. Единственная возможность как-то ослабить искажающее действие состоит в использовании лишь центральной зоны электромагнитной линзы, другими словами, в уменьшении ее апертуры. Изображение при этом становится более четким, однако оно теряет глубину.
      До сих пор трехмерная интерпретация электронно-микроскопических изображений является наиболее уязвимым местом электронно-микроскопического анализа и во многих случаях основывается на интуиции и опыте исследователя. Часто прибегают к получению снимков структуры в различных ориентациях. Известно, что такой прием облегчает получение представления о пространственной организации объекта. Напомним хотя бы историю о том, как Христиан Гюйгенс открыл кольцо Сатурна, наблюдая за этой планетой в разные моменты времени, когда с Земли она видна в различных ориентациях. Можно ли использовать точные количественные методы для извлечения информации о третьем измерении, достоверно реконструировать трехмерную структуру? Оказывается, можно.
      В 70-х гг. в Англии, Советском Союзе и США появились описания различных методов точного количественного восстановления трехмерной структуры по ее электронно-микроскопическим снимкам. Для этого необходимы электронно-микроскопические снимки объекта, снятого в разных ориентациях. Точно промеренные специальным прибором — микроденситометром, данные о степени почернения отдельных снимков вводятся в вычислительную машину, которая рассчитывает распределение электронной плотности в сечениях структуры, совпадающих с направлением просвечивания.
      Идею трехмерной реконструкции молекулярных структур по набору электронно-микроскопических изображений высказали Клуг и Д. Де Розье в 1968 г. в Кембридже (Англия). Позднее выяснилось, что в 1956 г. Р. Брейсвеллом в «Австралийском физическом журнале» было предложено решение подобной задачи в радиоастрономии. В частности, был рассмотрен вопрос о восстановлении распределения яркости в космических радиоисточниках по их проекциям, полученным при наблюдении под различными углами за счет вращения Земли. Близость в формальном описании объектов разной природы привела ученых к одним и тем же решениям задачи: восстановлению их объемной организации.
      Заслуга Клуга и Де Розье как раз и состояла в том, что они вспомнили об обратном пространстве и предложили использовать расчетные методы восстановления в электронной микроскопии. В Кембридже рассуждали примерно так: большая глубина фокуса, естественно, недостаток электронного микроскопа, но исправить его, изменив конструкцию электронного микроскопа, вряд ли возможно. Нельзя ли из таких электронно-микроскопических изображений, как они есть, извлечь все же информацию о третьем измерении структуры? Оказалось, можно. Причем недостаток может быть обращен на пользу. Изображение в электронном микроскопе при определенных условиях может рассматриваться как проекция трехмерной структуры на плоскость. Поскольку ориентация плоскостей проекций известна, а преобразование Фурье выполняется расчетным путем, то в центральном сечении обратного пространства будут известны и амплитуды, и фазы. Если теперь объект в электронном микроскопе повернуть под небольшим углом, то электронно-микроскопическое изображение будет представлять собой проекцию той же структуры, но снятую в другой ориентации. Преобразование Фурье такой проекции опять будет центральным сечением обратного пространства, но с другим угловым положением. Некоторый набор проекций объекта, снятых в разных ракурсах, при переходе в обратное пространство даст набор центральных сечений.
      Таким образом, имея достаточное количество проекций, можно заполнить Фурье-пространство пересекающимися по одной прямой плоскостями. Произведя интерполяцию между ними и выполнив обратное преобразование Фурье, мы восстанавливаем распределение плотности в сечениях объекта, плоскость которых совпадает с направлением просвечивания (см. рис. на с. 58). Другими словами, видна внутренняя структура объекта, ее обычно не удается рассмотреть на электронно-микроскопических снимках, но информация о закодированной форме присутствует в проекциях объекта. На рис. на с. 63 показаны трехмерные структуры биологических объектов, реконструированные данным методом в нашей лаборатории по электронно-микроскопическим снимкам.
      В принципе возможна реконструкция трехмерной структуры по проекциям и без перехода в обратное пространство. Очень много для развития подобных методов сделал академик Б. К. Вайнштейн.
      Восстановление объемной копии при отсутствий объекта. С попыткой устранить влияние сферических аберраций в электронном микроскопе связано другое крупнейшее открытие XX в. — голография.
      Идея голографии была высказана Д. Габором в 1947 г. Говоря о возможностях компенсации сферических искажений в электронном микроскопе, он предлагал двухступенчатый процесс регистрации изображения. На первом этапе фиксировалось распределение амплитуд и фаз дифрагированного излучения, а на втором осуществлялось восстановление волнового фронта в оптическом диапазоне, где и производилась коррекция искажений. Регистрация фаз оказалась возможной за счет интерференции рассеянного объектом излучения с когерентным фоном. Несмотря на то что голограмма фиксировалась на фотопластинках, регистрирующих лишь интенсивности (за счет предложенной Габором интерференции с фоном), записанное распределение интенсивности все же сохраняло информацию о фазах.
      Работа Габора была почти забыта до начала 60-х гг., когда изобретение лазера дало мощный толчок развитию голографии. Поразительный эффект трехмерности при восстановлении голограмм объемных объектов, впервые продемонстрированный Э. Лейтом и Ю. Упатниексом, был обязан высокой степени когерентности источника освещения. То, что пытались сделать импрессионисты в искусстве — остановить мгновение, удалось физике — голограмма останавливала («замораживала», как часто говорят) волновой фронт, идущий от предмета, а затем в нужный момент времени, уже в отсутствие предмета, помещенная в когерентный пучок, вновь восстанавливала его. Этот волновой фронт и создавал объемное изображение предмета, его двойника.
      Вот как Э. Лейт описывает первое необычайное впечатление от рассматривания голограммы: «Мы испытывали сильное волнение, хотя результаты были нам известны... Сама голограмма не производила впечатления, она представляла собой лишь наложение интерференционных картин, в котором не было видно никакого смысла, однако, лишь только мы поместили ее в пучок когерентного света, появилось изображение. Результат был как раз таким, как мы ожидали, но его физическое осуществление было впечатляющим. Изображение — без видимого объекта! Наши коллеги были озадачены, отнесясь к этому с некоторым подозрением».
      Голограммы трехмерных объектов обладают некоторыми уникальными свойствами, присущими лишь этому методу регистрации изображений. Они способны нелокально регистрировать информацию. Другими словами, по фрагменту, например осколку голограммы, можно восстановить целое изображение. В последнее время в связи с этим интенсивно обсуждается вопрос о формальной близости голографического процесса и явлений, связанных с ассоциативными формами запоминания.
      В то время как мнимое изображение, восстановленное с голограммы, является точной объемной копией исходного предмета, действительное изображение обладает интересным свойством псевдоско-пичности. Это изображение инвертировано по глубине и создает совершенно непривычные зрительные эффекты, когда более отдаленные участки изображения заслоняют собой более близкие его части при изменении направления наблюдения. Псевдоскопич-ность действительного изображения может быть устранена, если на стадии регистрации голограммы использовать линзу, которая делает волну, распространяющуюся от объекта, сходящейся.
      В 1962 г. советский физик Ю. Н. Денисюк предложил оригинальный метод голографической записи волновых фронтов в толстослойных эмульсиях. Предметная и опорная волны падают на эмульсию с противоположных сторон, образуя систему стоячих волн. Восстановление изображений с таких голограмм можно вести в белом свете.
      Сейчас даже трудно перечислить все приложения, которые нашла голография в научных исследованиях. Задача, казавшаяся фантастической до появления голографии, сейчас может быть решена сравнительно простым техническим средством. Характерный пример — определение размеров частиц в выхлопных газах из сопла, движущихся со скоростью, вдвое превышающей скорость звука. Регистрация голограммы с помощью рубинового лазера с длительностью импульсов 20—30 не, а затем микроскопический анализ трехмерного изображения потока, восстановленного с голограммы, с последовательной фокусировкой на различных частицах — вот решение такой проблемы.
      Подобными же методами удалось зарегистрировать всех инфузорий в полутораметровой толще мутной воды или же насекомых в метровом столбе воздуха. Был снят голографический фильм, воспроизводящий полет одного москита. Голограммы могут фиксироваться не только в световом диапазоне, но и в области ультразвука и СВЧ. Это открыло интересные возможности в медицинских исследованиях и в радиолокации. Вычислительная техника позволяет рассчитать дифракционные картины от несуществующих объектов. Переведенные соответствующим образом на пластинки, эти машинные голограммы могут восстановить объемные изображения объектов, существующих только гипотетически.
      Интенсивно ведутся работы по созданию голо-графического кино и телевидения. Здесь, правда, имеются сложности, но существуют и достижения. К числу их следует отнести получение трехмерных портретов человека с помощью импульсных лазеров, обладающих большой длиной когерентности (в несколько метров). Так изготовлен, например, голографический портрет Дениса Габора, который демонстрировали перед его нобелевской лекцией.
      Голография делает широкодоступными для наблюдения уникальные произведения искусства. Например, проводятся работы по голографированию ценнейших экспонатов Эрмитажа. Такая работа чрезвычайно важна, особенно в области сохранения информации о памятниках культуры, подверженных разрушению. Так, был произведен эксперимент по голографированию некоторых произведений венецианской скульптуры. Восстановленные с голограмм изображения, по мнению специалистов, производили очень сильное впечатление. В будущем возможно создание голограммного хранилища известных произведений древнего искусства. В Государственном Историческом музее в Москве уже экспонировалась выставка голограмм исторических ценностей, найденных при раскопках.
      На Западе эффектная зрелищность голографических изображений часто используется в целях рекламы. В свое время скандально известный сюрреалист Сальватор Дали заявил о создании им трехмерного голографического портрета рок-звезды Элиса Купера, для устрашения зрителя выступающего на сцене то в обличье дьявола, то в саване покойника.
      В ноябре 1972 г. на Пятой авеню Нью-Йорка в течение нескольких часов движение было остановлено огромной толпой, рассматривавшей руку, которая протягивала из полутьмы витрины бриллиантовое ожерелье. Таинственное» изображение восстанавливалось мощным лазером с голограммы, изготовленной фирмой «Мак-Доннел Дуглас Электронике». Эффект объемности был настолько поразительным, что один из нервных зрителей разбил зонтиком витрину, заявив, что это работа дьявола.
      Есть еще один аспект в исследовании пространственной организации объектов окружающего нас мира. Препарируя объекты трехмерного мира, мы замечаем, что в строении их присутствует четвертое измерение — время. Геологические пласты земной коры, годовые кольца на срезе дерева, длина витков спирали на панцире улитки — все это вехи времени.
      Однако секунды и минуты, часы и годы в растущей и сворачивающейся структуре в трехмерном пространстве превращаются в сантиметры и угловые градусы. Конечно, не всегда пропорциональность между единицей времени и единицей длины линейная. Появляется понятие «собственного времени», запечатленного в структуре. При изучении определенных этапов развития структуры время представляется прерывным (квантованным). Смена дня и ночи, времен года и солнечных циклов оставляет «зарубки» на структуре объектов. Что такое время с точки зрения биофизики — мы рассмотрим в следующей главе.
     
     
      В поисках четвертого измерения
     
      О, суетное время, ты как птица,
      Как молодая лань среди полян,
      Ты дней моих и радостей тиран,
      Судьбой моей вершит твоя десница!
      Луис Каррильо
     
      Каждый живой организм — от простейших до человека — обладает чувством времени. Однако на вопросы — что такое время, каков механизм его счета, чем запускаются часы и как контролируется точность их хода — пока нельзя дать исчерпывающие ответы.
      Еще Аристотель в IV в. до н. э. показал логические трудности, связанные с понятием времени. Бремя слагается из несуществующего и не может существовать, так как одна его часть уже была, а другая еще будет. Эпикур связывал время с ощущениями: движением и покоем. В XVII в. Бенедикт Спиноза подчеркнул, что время начинается с материальными объектами и прекращает существование вместе с ними. Исаак Ньютон считал пространство и время независимой от объектов сценой, на которой происходят события.
      Освоение человеком шкалы времени. В 1908 г. немецкий математик Герман Минковский предложил геометрическую модель. Если пространство состоит из точек, а время — из моментов (рассуждал он), то «строительным материалом» для единой системы будут события. Бесчисленное множество событий образует пространственно-временное наполнение. Любое событие есть функция от трех пространственных координат и времени. Время — четвертая координата.
      Пространственно-временной мир событий Г. Минковского.
      Если некоторое событие А может повлиять на событие а, то событие А происходит раньше события а. Предположим, что пространство одномерно, тогда модель такого мира можно изобразить плоской картиной (см. рис. на с. 70). Событие в точке О — это «настоящий» момент; все, что ниже этой точки, соответствует «прошлому», а все, что выше, находится в «будущем». Чтобы событие в точке В могло
      влиять на событие в точке О, необходимо перенести сигнал из точки В в точку О. В природе не обнаружено скоростей больших, чем скорость света в вакууме, поэтому событие В не может повлиять на событие О, если rB/tB больше скорости света. Таким образом, в модели Минковского образуется некоторый сектор, границы которого определяются соотношением r/t=c (где с — скорость света). Внутри этого сектора « прошлое» (события А и А,) может воздействовать на «настоящее». Если событие В лежит вне этого сектора, оно не влияет на событие О. Следовательно, область на чертеже представляет собой «настоящее».
      Казалось бы, что скорость света столь велика, что модель Минковского — это абстракция, которую невозможно ощутить. Однако это не так. Академик В. А. Котельников отметил, что при исследовании космическими аппаратами планеты Венера, расстояние до которой 50- 70 млн. км, ощущаешь, что скорость света небольшая величина, когда с нетерпением ждешь сигнала, а он «идет» 7 -8 мин.
      В живых организмах влияние одних событий на другие часто происходит с помощью «медленных» носителей и небольших скоростей, например сигналов, распространяющихся со скоростью звука, которая в воздухе — 330 м/с, в воде — 1500 м/с, или со скоростью диффузии вещества, которая зависит от температуры и вязкости среды и составляет в воде всего 10_7- 10~4 м/с, что в 12- 15 десятков раз меньше скорости света. Внутри «светового сектора» в модели Минковского существует большое количество секторов, соответствующих различным «медленным» материальным носителям информации.
      Движение человеческой мысли выявило ряд свойств времени. Оно описывается однонаправленной возрастающей величиной; проявляется и обнаруживается в изменении материальных объектов; связано с их взаимодействием; обладает как непрерывностью, так и дискретностью (квант времени — продолжительность жизни самого короткожи-вущего объекта); не обладает мгновенным дальнодействием.
      Развитие биофизики требовало включить человека и живые организмы в общую систему природы и распространить на них существующие понятия физики. «Система» значит «целое» (греч.) — это множество связанных объектов, влияющих друг на друга. Возникает вопрос: как определить время в приложении к любым системам?
      Время — это последовательность событий в пространстве, которая выполняет функцию синхронизации взаимодействий систем материального мира. Из этого определения следует, что часы есть устройство, генерирующее такую последовательность, или, другими словами, устройство, создающее время. Может появиться сомнение, что часы создают время, и если их разрушить, то время исчезнет. В природе существует множество периодических процессов, таким образом, имеется множество часов. Выбираются те часы, время которых (периодичность процессов) лучше отвечает существованию системы. Если исчезают одни часы, то используются другие. Чтобы уничтожить все периодические процессы, т. е. остановить все часы, потребуется остановить развитие Вселенной. Рассмотрим, как человечество осваивало шкалу времени для практических целей.
      Для измерения времени существуют различные единицы. Такая единица, как сутки, очевидна — от захода до захода Солнца.
      В эпоху неолита (около 4 тыс. лет до н. э.), а может быть и раньше, человек знал, что процессы, происходящие на Земле, имеют периодический характер и связаны с положением небесных тел, что видимые фазы Луны сменяются от одного новолуния до другого примерно в течение 29-i-30 сут. (точнее — 29,53 сут.). Так появилась единица измерения — месяц.
      Было также подмечено, что сезонные природные явления определяются положением Солнца относительно неподвижных звезд. Сформировалась единица — год (365,25 сут.). Однако оказалось, что нелегко согласовать лунный месяц с солнечным годом — частное от их деления не дает целого числа. Разнообразие существовавших и существующих календарей является следствием этих попыток. Сутки, месяц и год отражают реальные процессы перемещения Солнца, Земли, Луны и планет. Остальные единицы времени являются производными от основных.
      Семидневная неделя возникла, по-видимому, еще в древнем Вавилоне. Существовали две версии ее возникновения. Первая связана с фазами Луны: семь дней — от узкого серпа до первой четверти, примерно столько же — от первой четверти до полнолуния и т. д. Вторая версия — это влияние на воображение человека семи «блуждающих» светил: Луны, Марса, Меркурия, Юпитера, Венеры, Сатурна и Солнца. Во многих языках название дней недели соответствует наименованию небесных тел. Были календари, где месяц делился на три большие недели (по 10 дней) и на шесть малых (по 5 дней). У индейского племени майя неделя содержала 20 суток, по числу пальцев на руках и ногах у человека, и называлась «человек».
      Возникает вопрос: существует ли какой-либо физический процесс в космосе, имеющий 7-суточный цикл, или 7-дневная неделя — лишь результат договоренности между людьми? Исследования последних лет показали, что такой процесс существует — это колебания магнитного поля Земли под
      Гелио- и геомагнитные поля. Структура магнит ного поля Солнца (слева); структура магнитного поля Земли (справа).
      влиянием изменения потока заряженных частиц, излучаемых Солнцем, так называемого солнечного ветра (см. рис.). Солнечный ветер имеет секторную структуру в соответствии с полярностью магнитного поля Солнца. Границы секторов на рисунке показаны цветными линиями, в этих областях напряженность магнитного поля Солнца близка к нулю. В соседних секторах направление магнитного поля противоположно. Вся эта секторная структура вращается со средним периодом около 27 сут. (от 25 до 35). Общая активность всех секторов солнечного ветра характеризуется периодом 22 года (смена полярности поля происходит примерно через 11 лет). Время прохождения одного сектора по отношению к неподвижному наблюдателю составляет 4- 7 сут.
      Магнитное поле Земли (см. рис. на с. 75) обычно изображают в виде концентрических силовых линий, которые соответствуют гигантскому полосовому магниту, помещенному внутри Земли. Силовые линии магнита выходят из Южного полюса и оканчиваются на Северном. В действительности это описание схематично, так как в окружающей Землю магнитосфере силовые линии сильно искривлены под воздействием солнечного ветра. Они приплюснуты к Земле с освещенной Солнцем стороны и вытянуты в сторону от Земли на ночной стороне. Вблизи поверхности Земли влияние солнечного ветра ослаблено, но тем не менее оно существует с периодом 4 7 сут. с наложенными на них за счет вращения Земли вокруг своей оси дневными и ночными колебаниями. Думается, что вряд ли в древнем Вавилоне знали о слабом изменении геомагнитного поля под влиянием солнечного ветра, хотя его проявление могло быть зарегистрировано косвенными способами, например по поведению некоторых видов насекомых.
      В Европе наибольшее распространение получили вавилонская и римская системы измерения. В Вавилоне использовалась система с основанием 60. Шестидесятеричные дроби легли в основу деления часа и минуты. Однако так было не везде, например в Палестине час делился на 1080 хелеков, а хелек — на 76 рэгов. В Древнем Риме была принята двенадцатеричная система дробей. Современное деление суток на часы — это влияние римской системы.
      В Древней Руси существовали 15 переменных интервалов для деления суток (заутреня, заря, ранняя заря, начало света и т. д.). При этом учитывались ритмы живой природы: пение птиц (особенно крики петухов), поведение насекомых и животных, раскрытие бутонов цветов.
      «Цветочные часы» в летнее время могут довольно точно указывать время: около 5 ч. утра распускаются бутоны шиповника и мака, в 10 ч. — мать-и-ма-чехи, в 8 ч. вечера в воздухе ощущается аромат душистого табака, а еще через час начинают благоухать ночные фиалки. Однако чаще использовались не живые хронометры, а солнечные, песочные или водяные часы.
      Механические гиревые часы появились в средние века. Однако из всех способов преобразования энергии падающего груза в движение стрелок ни один не обеспечивал равномерности. Даже известные часы «короля астрономов» Тихо Браге часто приходилось «подгонять» при помощи молотка. До конца XVI в. не было известно механических явлений, которые периодически повторялись бы через малые интервалы времени. Создание маятниковых часов связано с именами Г. Галилея и X. Гюйгенса.
      Сам факт, что период движения маятника при малых углах отклонения не зависит от массы груза, а определяется длиной подвески, был обнаружен двадцатилетним Галилеем. Он использовал биологический ритм — сердечный пульс (на этот способ указал врач и математик Дж. Кардано). В 1583 г. Галилей наблюдал в соборе Пизы за раскачивающимися от ветра люстрами и подметил эту закономерность.
      Необходимость создания точных часов была продиктована практическими потребностями, особенно
      развитием мореплавания. Морские державы установили премии для тех, кто предложит надежный способ определения долготы. Разность долгот в двух пунктах земного шара пропорциональна разности местных времен в этих пунктах. Таким образом, задача сводится к измерению времени.
      В 1612 г. Галилей обратился к испанскому правительству с идеей маятниковых часов, но не нашел понимания. В 1636 г. он ведет переговоры с Генеральными Штатами Голландии, но вынужден прервать их, так как находился под наблюдением инквизиции. Идеи Галилея развил и довел до практической реализации Гюйгенс — «гениальнейший часовой мастер всех времен».
      Конец XVII в. прошел под знаком совершенствования маятниковых часов. В 1679 г. после ряда неудач Гюйгенс пришел к мысли, что морской хронометр должен представлять собою пружинные часы с балансиром. Такой хронометр был создан в 1735 г. Дж. Харрисоном, который и получил премию в 20 тыс. фунтов от английского парламента.
      Важный шаг на пути стандартизации был сделан в 1884 г. Земной шар разделили на 24 меридиональных часовых пояса шириной в 15° и каждому из них приписали эталонное время, отличающееся на целое число часов от среднего солнечного времени на гринвичском меридиане (см. рис. на с. 78). Однако территории государств или единых хозяйственных регионов (в некотором смысле подобные живому организму), представляя собою автономную социальную единицу, часто делились на части границами часовых поясов. Чтобы управлять таким регионом, необходимо единое время на всей его территории, поэтому государства изменили границы поясного времени. Экономические причины определили также введение условного летнего и зимнего времени. Техника XX в. потребовала дальнейшего уточнения
      На территории СССР часовая стрелка переведена на 1 час вперед против пояс-ного времени
      параметров перемещения небесных тел. Продолжался поиск физических явлений, имеющих более стабильный период колебаний.
      Система астрономического времени, основанная на наблюдениях кульминаций небесных светил, не является абсолютно равномерной. Наименьшие изменения имеет период обращения Земли вокруг Солнца (тропический год). Его неравномерность: 0,614 мсек, за 100 лет. В 1954 г. Конференция мер и весов определила секунду как 31 556 925,9747 долю этого года. Казалось бы, что теперь есть эталонная секунда. Однако уточнения ее величины поступали с отставанием, поскольку требовали астрономических наблюдений, длящихся, по крайней мере, два-три года. Необходимы были надежные и точные устройства, запоминающие эталонный интервал времени.
      Обратились к электронным колебательным системам, с их помощью удалось изготовить часы с точностью 10 6 с. Затем появилась идея использовать атомные частоты. В 1955 г. был введен эталон частоты на пучке атомов цезия. Атомные часы откалибровали по астрономическим. Доступность цезиевых эталонов привела к тому, что было введено новое понятие секунда» — это 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Однако и этот способ подвергся ревизии, в 1983 г. были введены эталоны времени на основе частот квантовых генераторов...
      Проблема времени сводится не только к созданию эталонных часов, но и к синхронизации. Показания часов в границах системы должны быть одинаковыми. Если нет синхронизации, то одни часы «уйдут вперед», а другие «отстанут». Представьте себе, что было бы с обществом, если бы поезда и самолеты уходили и улетали раньше времени, указанного в расписании, потому что часы «ушли вперед», а конвейеры заводов простаивали, потому что часы «отстали». В условиях сложных производств это привело бы к хаосу.
      Синхронность часов можно проверить по сигналам точного времени, распространяющимся мгновенно. Однако такой способ неосуществим (сигнал не может распространяться мгновенно, так как скорость его не может превосходить скорость света). Задачу синхронности хода часов, находящихся в разных точках, можно решить только путем соглашения.
      За основу такого соглашения А. Эйнштейн предложил взять постоянство скорости света в вакууме. Пусть по часам в точке А световой сигнал отправляется в момент времени t,, и после отражения в точке а возвращается в А в момент времени t3. Тогда, по определению, часы в точке а идут синхронно с часами в точке А, если они в момент прихода светового сигнала показывают время t2=(t,+t3) / 2.
      Однако тогда получается, что ход времени в разных движущихся системах различен, промежуток времени между двумя событиями относителен: он изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой. В точку, удаляющуюся от источника световой вспышки, свет попадает позже, чем в точку, приближающуюся к источнику. События, одновременные в одной системе отсчета, неодновременны в других, движущихся относительно первой.
      В теории относительности можно говорить об определенном «моменте времени» применительно лишь к одной системе отсчета: одному времени в неподвижной системе соответствует множество значений времени в движущихся системах в зависимости от изменения координат их нахождения. Промежуток времени между двумя событиями минимален в той системе, относительно которой оба события совершаются в одной точке пространства.
      Время, измеряемое по часам, движущимся вместе с данным объектом, приводит к понятию собственного времени объекта.
      Для чего нужны часы живым организмам? Человеческому разуму понадобилось около 4 тыс. лет, чтобы освоить шкалу времени, живые организмы на основе естественного отбора осваивали эту шкалу около 4 млрд. лет. В каждом живом организме есть часы, и он живет по собственному времени, подобно движущейся системе.
      В физике все неравномерности в процессах стараются описывать изменениями скорости, а время, как правило, считают возрастающим равномерно. В биологии сам организм регистрирует интервалы между событиями, «фильтрует» события, т. е. имеет «биологические часы», поэтому целесообразно в этом случае собственное время организма считать переменной величиной. Для чего нужны часы живым организмам?
      Жизнь в изменяющемся мире требует реакции на события. Появившись на свет, младенец умеет дышать и глотать, засыпать и просыпаться. Ребенок растет, начинает узнавать знакомых, приспосабливает ритм своей жизни к ритму окружающих его событий: днем бодрствует, ночью спит. Его мозг улучшает способность находить сходства и различия между предметами и событиями. Расширяется и совершенствуется в его мозгу модель окружающего мира.
      В каждом возрасте необходимо оптимальное количество событий. Не любая «встреча» является для организма событием. Событие должно производить изменения в организме — вызывать переживания. Если событий недостаточно, то организм впадает в сонливость, затормаживается его развитие. Предельный вариант — два события: рождение и смерть, например у вирусов и бактериофагов. Они в течение жизни не развиваются, не имеют обменных процессов — время для них между этими двумя событиями остановлено. Если событий чрезвычайно много, то возникают стрессы, которые могут вызвать у людей заболевания (неврозы, гастриты, гипертонию). Темп внешнего мира «уплотняет» физиологическое время организма, ряд процессов не поспевает за ним
      Под влиянием отбора у организмов появилась защитная система от перегрузок. Организм стал реагировать не на все события, а только на те, которые оказывались физиологически значимыми. На первый план вышли информационные параметры сигналов, существенные для поиска пищи, самосохранения, размножения и т. п. Произошло разделение потоков поступления в организм энергии (пищи) и информации — возникли органы чувств. Внутренний мир каждого живого существа свой: летучая мышь познает окружающую среду прежде всего ушами на основе ультразвуковой локации; мир гремучей змеи — тепловые излучения и инфразвуки; у муравья — это, как правило, топохимические раздражители и т. д. Зачем летучей мыши использовать свет в качестве информационного носителя, когда она охотится на насекомых ночью? Гремучей змее необходимо разыскивать теплокровных грызунов, спрятавшихся в траве, и избегать крупных животных, чтобы они не раздавили ее. Муравью следует метить дорогу к дому и сообщать собратьям о местах, где можно полакомиться. Каждый вид занял свою природную нишу.
      Одним из параметров окружающей среды служит время — периодичность, повторяемость внешних явлений. Некоторые явления воспринимаются организмом как дискретные, следующие одно за одним, другие сливаются вместе и воспринимаются как одно целое. Если произвести две вспышки света с интервалом 100 мс, то человек воспримет их как одну. Временная разрешающая способность живых организмов эволюционно подгонялась под реакцию их двигательного аппарата. Интервал «воздействие — реакция» разделился на две части. Зачем различать события, если нельзя на них отреагировать? Человек в этом смысле не является исключением.
      Если разделение сигналов — это процесс органов чувств, другими словами, периферический процесс, то восприятие событий — это центральный процесс, связанный с системами регуляции в живых организмах, в котором также появилась система защиты от перегрузок. Организмы начали программировать свою деятельность блоками — стереотипами поведения. Доля генетически наследуемых и приобретаемых стереотипов поведения различна. Например, у насекомых почти вся программа жизни состоит из инстинктов, а у млекопитающих, особенно у человека, значительную часть составляет обучение. Кроме того, у живых организмов появился механизм узнавания ситуаций, запускающий извлекаемую из памяти программу стереотипного поведения, которая наилучшим образом отвечает внешним обстоятельствам. Таким образом, событием для организма стал сам факт узнавания, а программа (которая может быть весьма протяженной в масштабах реального времени) реализуется автоматически. Возник механизм объединения малых программ стереотипного поведения и построения на их основе крупных, которые в свою очередь становились стереотипными.
      Таким образом, внутри организма непрерывно строилась иерархическая модель внешнего мира. Событием становилась лишь ситуация, при которой модель расходилась с реальным миром, и требовалось внести коррекцию. На основе прошлого, прогнозируя будущее, живые организмы постепенно «учились» управлять временной шкалой физиологического, а затем и интеллектуального времени. Поэты говорят, что для счастливых время останавливается. Это неправда! Время, насыщенное событиями, «бежит» быстро. Правильнее другое утверждение: «Миг — это единица измерения счастья».
      Приспосабливаясь к циклически изменяющейся среде, живые организмы эволюционно сформировали набор колебательных физико-химических процессов с разными периодами — своеобразную библиотеку программ поведения.
      Околосуточные ритмы. Особой стабильностью обладают околосуточные, или, как их называют, циркадные ритмы живых организмов. В 1729 г. астроном Де Меран обнаружил, что суточные движения листьев растений сохраняются в темноте. Предпринимались попытки определить внешний фактор, задающий такт живым химическим машинам, однако они не увенчались успехом. Пытались исключить влияние вращения Земли. Платформы с животными и растениями помещали на полюсах Земли и вращали их так, чтобы в одном случае вращение их компенсировало вращение Земли, в другом — ускоряло, в третьем — замедляло. Пытались исключить влияние всех видов излучений и физико-химических воздействий (атмосферного давления, температуры, влажности и т. п.).
      Вот свидетельства М. Сифра, автора книги «Один в глубинах земли» (1966). Он провел эксперимент над собой, длительное время находился в глубокой пещере: «...мой ритм зависел от моего личного восприятия времени: я ел, когда бывал голоден, спал, когда хотелось спать, и просыпался, разумеется, не от звука будильника и не от света утренней зари. Я вернулся к той примитивной стадии животного существования, когда все подчиняется удовлетворению естественных потребностей. Я больше не зависел ни от людей, ни от общественных обязанностей, ни от врожденных привычек, искони обусловленных чередованием дней и ночей. Даже годовой солнечный цикл — во всяком случае я так думаю — на меня не влиял».
      К концу опыта оказалось, что собственный его цикл в условиях изоляции в среднем 24 ч 31 мин. Подобный эксперимент проводился многими людьми, и, как правило, цикл находился в пределах 24ч-26 ч. Суточный цикл свойствен всему живому.
      Внутри суточного ритма имеется довольно сложная периодичность биохимических и физиологических процессов. У человека, например, два максимума активности и два минимума, ночью температура тела снижается, а конечностей повышается, колеблется несколько раз в течение суток восприимчивость к лекарствам и ядам, рождаемость и смертность, меняется состав крови, аналогичная ситуация и у животных (см. рис. на с. 87). У живых систем ход процессов внутри суточного ритма весьма сложен. Например, насекомые и птицы, использующие в качестве « компаса» Солнце, должны учитывать неравномерность его видимого движения по небосводу. В полдень оно перемещается в 10 раз быстрее, чем на заре. Очевидно, для этого им необходимы особые «внутренние часы».
      Муравьи вида Катаглифис, живущие в пустынных районах Туниса, в отличие от своих собратьев других видов не метят дорогу пахучим веществом, а ориентируются по Солнцу. Был проведен такой эксперимент. Часть муравьев отлавливали ранним утром, когда Солнце движется по небосводу еще медленно. Если бы эти муравьи просто экстраполировали положение Солнца на небе, ведя «отсчет» от
      момента, когда видели его в последний раз перед отловом, они должны были бы «недооценивать» скорость движения Солнца и двигаться в ложном направлении. Напротив, муравьи, отловленные в полдень, должны были бы «переоценивать» его скорость и тоже ошибаться в поисках муравейника, но в другую сторону. Однако все особи, участвовавшие в эксперименте, подобных ошибок не совершали, внося поправку на изменение скорости движения Солнца.
      Стабильность суточного периода подтверждается и в экспериментах с пчелами. Дрессировка пчел на период, не равный 24 ч, не удается. Можно неделями предлагать корм с промежутками в 19 ч (это делается в постоянно освещенной камере) — пчелы не усваивают такой промежуток времени. В другом опыте пчел длительное время кормили каждые 48 ч. Однако они прилетали каждые 24 ч. Возникает вопрос: пчелы руководствуются суточными периодическими воздействиями, недоступными нашему восприятию, или имеют «внутренние часы»?
      Разъяснение дал трансконтинентальный опыт. Сделали две одинаковые темные камеры. Одну из них поставили в Париже, а другую — в Нью-Йорке. Когда в Париже полдень, у жителей Нью-Йорка только 7 ч утра и они видят утреннее Солнце. Если пчелы ориентируются по местному положению Солнца, которое они воспринимают даже в темной камере благодаря какому-то проникающему излучению или иным неведомым образом, то после дрессировки на определенное время в Париже и быстрой перевозки через океан в Нью-Йорк они должны были бы лететь на кормушку по нью-йоркскому времени. Но результат оказался иным. Приученные в парижской камере посещать кормушку в определенное время и перевезенные на самолете в Нью-Йорк, путешественницы и там прилетали к кормушке по парижскому времени.
      Реакция пчел на время — естественный процесс. Цветы дают пыльцу или нектар в определенное время суток. В другое время выделение нектара менее обильно, пчелы-сборщицы бездействуют. Целесообразно, чтобы незанятые пчелы оставались дома, потому что снаружи их подстерегает много опасностей.
      Физико-химические часы в организме нестабильны, и их необходимо синхронизировать с событиями внешнего мира. Если два вещества взаимодействуют с определенной скоростью (а любой организм — это, прежде всего, химический реактор), то о прошедшем с начала реакции времени можно судить по количеству продуктов реакции. Для такой простой системы время в холодильнике будет протекать медленно, а вблизи нагревательного прибора — быстро. Казалось бы, что так и происходит в природе: понижение температуры растягивает временную шкалу живых систем, например муравьи — холоднокровные существа, и их способность к обучению (появление навыка ориентации в лабиринте) зависит от температуры. Если поднять температуру с 25 до 28°, то муравьи обучаются в 2 раза быстрее. При температуре выше 28° усиливается и забывание.
      Однако способ температурной синхронизации процессов несовершенен: он медленный, подвержен случайным влияниям. Для суточных (сравнительно коротких) периодов он не годится, хотя для годовых ритмов широко используется в живой природе. Лучше для этих целей световая синхронизация от Солнца или что-нибудь другое с суточной периодикой. Однако насекомые и птицы задействовали Солнце для навигации, поэтому необходим дублирующий способ синхронизации часов, в противном случае надежность их навигационной системы будет
      низкая. Такой способ существует, и в процессе эволюции он был найден.
      Исследования показали, что пчелы весьма чувствительны к магнитному полю Земли, основные параметры которого подвержены небольшим суточным колебаниям и могут служить указателями суточного времени. Пчелиную семью дрессировали на определенное время кормления в закрытой камере при постоянном искусственном освещении, температуре и относительной влажности воздуха. В один из дней колебания магнитного поля Земли были искусственно скомпенсированы. Пчелы появились в этот день на пустой кормушке на 10 ч раньше срока и искали там корм. Затем магнитное поле в месте, где находился улей, было усилено вдвое и была нарушена его периодичность. Прилеты дрессированных пчел распределились равномерно на все часы суток.
      Случается, что сама природа создает «беспорядок» в магнитном поле. В этом случае говорят о магнитных бурях. Однако такие события происходят редко, поэтому пчелы в процессе эволюции научились «привязывать» определенную фазу своих часов к изменению магнитного поля.
      При перемещении с востока на запад силы земного магнетизма остаются почти неизменными. Когда же пчелиную семью после дрессировки перевезли на 16° к северу, в зону Полярного круга, параметры земного магнетизма для пчел существенно изменились, дрессировка на время нарушилась, и пчелам пришлось обучаться заново; для этого потребовалось 14 дней. Возвращение их на родину снова расстроило дело. Однако для переучивания понадобилось 10 дней.
     
      Люди обладают различной способностью переносить рассинхронизацию ритмов: приблизительно 35% быстро приспосабливаются к ситуации, они могут спать в любое время, в любом месте и при любых условиях, им не страшна такая болезнь, как десинхроноз (рассогласование ритмов). Кроме того, способность противостоять десинхронозу зависит от возраста. Ребенок появляется на свет с несинхро-низованными ритмами, в первые месяцы жизни они синхронизируются внешними обстоятельствами. 25% людей, как жаворонки, имеют максимальную активность в утренние часы (с 9 до 14 ч), а 40% предпочитают, подобно совам, вечернее и ночное время (как правило, с 18 до 23 ч). Этот фактор должен учитываться при формировании экипажей, исследовательских коллективов и даже при совместном отдыхе. Слаженность ритмов есть необходимое условие благополучия организма.
      В области изучения суточных ритмов накоплен огромный фактический материал, написано множество книг, но однозначного ответа на вопросы: каков механизм суточных биологических часов и какой эффективный способ управления ими? — пока нет. Ученые искали химическую реакцию, систему реакций, отдельную клетку или группу клеток и тканей, которые обеспечивали бы синхронизацию всех процессов в живом организме. Казалось, что уже можно воскликнуть « эврика!», но каждый раз последующие эксперименты приводили к разочарованию.
      У живых организмов имеется несколько органов, связанных друг с другом: гипоталамус (этот орган находится в нижней части мозга; с одной стороны, по своим характеристикам является нервной тканью, с другой — весьма похож на железу, вырабатывающую гормоны; он как бы объединяет две системы регуляции: нервную — быструю и гормональную — медленную; в рамках системы организма периодичность работы гипоталамуса — 24 ч), гипофиз и другие железы, которые создают гормональные циклические процессы (см. рис. на с. 93). Мозг и эндокринная система воздействуют на биологические часы других органов и клеток, например клеток кишечника или сердца, причем каждая из систем не только испытывает влияние, но и сама оказывает обратное воздействие. Органы чувств получают информацию от внешней среды и передают ее в центральную нервную систему, синхронизируя ход внутренних процессов с внешними периодическими процессами. Исследовать такую систему сложно, размыкание связей приводит к ломке всех процессов.
      Многие эксперименты были весьма оригинальны. Например, у тараканов обнаружили четыре особые клетки — кандидаты на «часы», расположенные под крохотным мозгом. Удалили их, пересадив другому таракану. Причем один из тараканов родился и вырос на американском континенте, другой — на европейском. Когда на американском континенте день и таракан должен спать (тараканы — ночные существа), его европейский собрат бегает в поисках пищи. Таким образом, после пересадки клеток у таракана оказалось двое «часов», которые «показывали время с 12-часовым сдвигом. По одним пора гпать, по другим — питаться. Через некоторое время у оперированных тараканов начали развиваться опухоли Однако развитие опухоли вызывалось не просто повышенным синтезом гормона. Когда контрольным насекомым пересадили вторые «часы», показывающие их собственное время (при этом количество гормона также увеличилось), опухоль не образовалась.
      Казалось бы, получены два ответа: найдены часы и выяснена природа рака. Однако последующие эксперименты показали, что это ответ на другой вопрос: как влияет сбой хода часов на поведение организма? Ответ получается неоднозначный.
      Некоторые организмы (например, паразиты типа кишечной палочки) и растения легко переносят десинхронизацию и способны менять частоту ритма более чем в 2 раза; у холоднокровных организмов суточный ритм зависит также и от температуры, они поддерживают ее путем поиска комфортных зон (охладилась поверхность водоема — рыбы уходят в глубину) или впадают в оцепенение до лучших времен; у теплокровных организмов суточный ритм поддерживается путем комбинации всех регуляторных процессов. Если у сложных организмов ритм сбивать с помощью физических или химических воздействий, то организм гибнет. Проявления де-синхроноза могут быть разные, в том числе и в виде опухоли.
      Скорее всего, главных часов в живом организме нет, живой организм — это набор многих автоколебательных процессов с близкими к 24-часовому периодами, которые синхронизируются за счет внутренних обратных связей и внешних сигналов, подтягиваясь в некоторых пределах к наиболее быстрому процессу.
      Окологодовые ритмы. Окологодовые ритмы имеют связь с сезонными процессами организма — накоплением энергетических запасов на холодное время, рождением и воспитанием потомства, миграциями, понижением активности в определенный сезон, у некоторых видов вплоть до зимней спячки. Годовые ритмы так же, как и суточные, устойчивы. Например, были сообщения, что рождение людей в течение года распределяется неравномерно: на 15% рождений больше в январе, феврале и сентябре, чем в мае, июне и ноябре. Все еще неясно, какова роль в этих отклонениях наследственных биологических часов» и внешних физических или социальных причин.
      Первоначально поедполагали, что причиной годовых ритмов являются только внешние условия — температура окружающей среды или продолжительность дня. Однако опыты в климатронах, где животные жили в постоянных внешних условиях, показали, что независимо от состояния окружающей среды с приходом зимнего периода года зимоспящие зверьки резко понижали свою активность.
      Что касается птиц, то их прилет и отлет растягивается почти на 6 мес. и может служить годовым календарем. Из Подмосковья в начале августа улетает малый зуек, большой кроншнеп, чечевица; в течение августа — стриж, деревенская ласточка, иволга, скворец; в начале сентября — лесной конек, обыкновенная пустельга и т. д.; последним, к концу октября, пускается в путь дрозд-рябинник. Перелеты птиц — это хорошо регистрируемое, но вторичное проявление годовых ритмов. Само свойство перелет-ности определяется не только факторами наследственности, но и влиянием среды. При переселении в условия стабильной среды перелетные птицы часто превращаются в оседлых, так было, например, с канадской казаркой, завезенной в Шотландию.
      Примером сравнительно быстрого превращения перелетных птиц в оседлые может служить популяция черного дрозда, поселившегося в городах Европы. Замечено, что в городе Пущине Московской области стали зимовать скворцы.
      Первичной стереотипной программой поведения являются сезонные перестройки организма, например накопление энергетических запасов к периоду холодов. За счет усиленного питания летом и осенью животные и птицы к зиме увеличивают запас жира. Как мигрирующие птицы, прежде чем пуститься в путь, так и зимующие создают энергетические запасы.
      Обнаружено, что у певчих птиц, живущих в квартире, средний вес не просто увеличивается к зиме, а и колеблется в течение ее, повышаясь в начале периода холода и падая при оттепелях. Однако если при кратковременных похолоданиях вес тела у пернатых увеличивается, то на свободе при продолжительной суровой зиме они теряют в весе и могут погибнуть.
      Феномен зимней спячки также связан с регуляцией энергетических запасов организма. В Институте биологической физики АН СССР несколько лет назад были проведены эксперименты по введению экстракта, полученного из кишечника сусликов в период их зимней спячки, мышам, которые не являются зимоспящими. При этом у мышей значительно понижались потребление кислорода, температура тела и общая активность. Раньше думали, что это своеобразное снотворное» производится в мозгу животных, теперь можно предположить, что оно синтезируется в разных органах в соответствии с ходом годовых биологических часов.
      В других исследованиях выделили аналогичные вещества из крови бурундуков, погруженных в зимний сон, и вводили их в середине лета зимоспящим животным, таким, как хомячки и летучие мыши, те впадали в сон. Когда сделали инъекцию обезьянам, то, как в наших экспериментах с мышами, у них возникли типичные симптомы зимней спячки: частота пульса снизилась вдвое, температура тела упала на несколько градусов. Если бы такие физиологические реакции возникли по какой-либо иной причине, животные могли бы погибнуть. Когда кончилось действие снотворного», обезьяны вновь чувствовали себя хорошо. Это пока еще недостаточно изученное вещество (или группа веществ) не только снижает уровень сердечной деятельности и температуру, но и защищает организм от вмешательства холода в его физиологические функции. Кроликам ввели экстракт и посадили в холодильник. Они непременно замерзли бы, но благодаря присут-
      ствию в организме вещества, затормаживающего физиологические процессы, выжили.
      Во время зимнего глубокого сна животные оказываются защищенными от действия возбудителей болезней, переносят высокие дозы радиоактивного облучения. Энергетический обмен при зимней спячке у крупных животных падает примерно в 10 раз, а у мелких — в 100 раз по сравнению с периодом летнего бодрствования (см. рис. на с. 98). Характерно, что похожее на зимнюю спячку состояние возникает иногда и у птиц. Оно наблюдается у ласточек, стрижей и других птиц во время перелета. При продолжительной неблагоприятной погоде птицы прерывают на несколько дней свой осенний перелет, собираются вместе в сухих местах, подобно пчелиному рою, и впадают в состояние сна, которое можно сравнить, например, с зимней спячкой летучих мышей или орешковых сонь. Температура тела и обмен веществ понижаются, активность сводится к минимуму. При наступлении хорошей погоды птицы довольно быстро возвращаются к активной деятельности.
      Интересно явление временного оцепенения у американских колибри. Эти очень мелкие и подвижные птички имеют в противоположность остальным непостоянную температуру тела. При недостатке корма или холодной погоде колибри впадают в оцепенение.
      Однако зимняя спячка во многом остается загадкой. Каким образом у спящего животного функционирует нервная система и сердце при столь низкой температуре тела? Каков механизм часов, побуждающих осенью выделять в кровь снотворное вещество, и как оно исчезает весной? В летнее время в крови нет даже его следов.
      40-минутные ритмы, наблюдаемые в различных органах одного животного.
      Околочасовые ритмы. Пока остаются загадкой и короткие, околочасовые клеточные ритмы. Первые сведения об околочасовых изменениях активности клеток появились в 1961 г. Было показано, что колебания сухого веса ганглиозных клеток сетчатки мыши происходят с периодом около 40 мин. С тех пор подобные ритмы были обнаружены у самых разных биологических объектов. Скорость синтеза белка, проницаемость клеточных мембран, количество РНК и белка и другие характеристики изменяются с околочасовой периодичностью во многих специализированных клетках: яйцах морского ежа после оплодотворения, нервных клетках сетчатки, клетках мозжечка, секреторных клетках слюнных желёз, клетках печени и поджелудочной железы.
      Обычный вопрос по поводу всех «биологических часов»: происходят ли колебания независимо от внешних условий, или же это реакция клетки на внешнее воздействие? Многими исследователями было установлено, что для возникновения околочасовых ритмов такое воздействие необходимо. Например, в опытах японского исследователя И. Мано сам факт оплодотворения яиц морского ежа вызвал колебания. Однако оставалось неясным — инициировал ли внешний агент колебания, или же он синхронизировал уже происходящие колебания.
      В конце концов удалось доказать, что внешний фактор вызывает только синхронизацию колебаний, происходивших в клетках. Синхронны ли околочасовые ритмы разных клеток живого организма, например клеток печени и поджелудочной железы, эритроцитов и секреторных клеток, слюнных желёз? Эксперименты показали, что ритм синтеза белка в печени, поджелудочной и слюнной железах крысы обнаруживает значительное сходство (см. рис. на с. 101), хотя синтез и выделение пищеварительных ферментов в слюнной и поджелудочной железах регулируются разными способами.
      В последние годы широко используется метод культивирования клеток вне организма, на питательных средах. Оказалось, что и в клетках, растущих вне организма, сохраняются околочасовые ритмы. Удалось проследить за их синхронизацией: выяснилось, что в первые сутки после посева клетки колеблются асинхронно, а затем между колебаниями возникает синхронизация.
      Околочасовые колебания устойчивы к внешним воздействиям. Период меняется незначительно при изменении температуры от 18 до 37° С; лишь при 0° С колебания прекращаются. На уже идущие колебания не влияет облучение и обработка клеток антибиотиками, прекращающими деление.
      Каков механизм околочасовых клеточных ритмов? Современные представления о живой клетке позволяют сравнивать ее с хорошо организованным и ритмично работающим заводом — реактором, поставляющим другим заводам свое собственное, в основном белковое, оборудование. Жизнедеятельность клеток зависит как от регулярного поступления извне сырья, а с ним и запасенной в нем энергии, так и от безотказной работы звеньев производства. Известны тысячи химических превращений, протекающих в клетке, причем многие из них несовместимы. Такие несовместимые биохимические превращения изолируются друг от друга соответствующей организацией во времени и пространстве.
      Например, в клетке пространственная организация процессов осуществляется многими способами: объединением функционально связанных катализаторов — ферментов в крупные макромолекулярные комплексы, присоединением ферментов в определенном порядке к внутриклеточным мембранам,
      разнесением несовместимых ферментов и полифер-ментных систем в различные отсеки, разделенные мембранами, обладающими селективной проницаемостью, и т. д.
      Однако не все конкурирующие процессы разделены в пространстве, например ферменты, катализирующие противоположно направленные процессы синтеза и расщепления глюкозы и гликогена — энергетического топлива, находятся в одном и том же отсеке. Для таких биохимических процессов основной формой организации является временная организация, т. е. периодический порядок работы несовместимых процессов во времени.
      Автоколебательные биохимические реакции, обеспечивающие клетку энергией, — подходящий кандидат на роль главных внутриклеточных часов, так как в этом случае находит объяснение устойчивость колебаний к внешним воздействиям. Пока осуществляются обменные процессы, т. е. существуют колебания, клетку (или ее части) можно считать живой. После прекращения обменных процессов время для клетки останавливается. Эта гипотеза, обоснованная в Институте биологической физики АН СССР Е. Е. Сельковым, находит подтверждение.
      Однако не исключена возможность существования и других ритмов в клетке, синхронизируемых энергетическим циклом, например последовательность молекулярных процессов на расплетающихся в ходе клеточного цикла нитях ДНК или перенос определенного количества ионов, определяемый их концентрацией внутри клетки, через мембрану.
      Экологические или многогодовые ритмы. Эти природные циклы также изучены еще недостаточно, хотя их понимание необходимо для охраны окружающей среды.
      Как отмечалось, каждый организм от простейших до позвоночных, утилизируя энергию предыдущей стадии, отдает созданный им продукт «соседу» другого вида. Эта поточная линия с безотходным производством, замкнутая в цикле, и составляет среду нашего обитания. Если этот цикл нарушать, то приходится платить дополнительным расходом энергии. Приспособляемость биосферы к изменению внешних условий не только упорядоченный процесс, в котором один вид замещается другим, это и поток сдвигающихся динамических циклов. Два связанных фактора не позволяют ясно увидеть циклику биосферы, а также предостеречь человека от непродуманного вмешательства в природу.
      Во-первых, большое разнообразие живых организмов. Все живые организмы, в том числе и люди, различаются генетически в гораздо большей степени, чем думали 10—15 лет назад. Два случайно выбранных человека будут различаться по сотням, а возможно, и тысячам хромосомных локусов. Эти различия важны. Они влияют на выживание своих носителей, так как многие из них связаны с чувствительностью к изменению параметров среды. Таким образом, отбор продолжается, выживают те, которым удается приспособиться к новым условиям.
      Во-вторых, в биосфере имеет место большой набор процессов регулирования с обратной связью и, как следствие — набор циклических процессов, позволяющих ей компенсировать изменяющиеся условия. Поэтому биосфера сравнительно легко справляется с задачами регулирования. За ошибки с человека взимается плата (иногда большие капиталовложения, чтобы исправить ситуацию, а чаще ухудшение его собственного здоровья). Однако все это справедливо до определенного критического уровня, после которого наступает срыв регулирования. Локальные срывы поправимы, хотя требуют больших энергетических затрат; глобальный — может иметь трагические последствия.
      Изучение биофизиками взаимодействия различных циклических автоколебательных процессов началось под влиянием двух крупных работ — «Элементы физической биологии» Альфреда И. Лотки (1924) и «Лекции по математической борьбе за существование» Вито Вольтерра (1931). В этих работах были описаны различные проявления «борьбы» в химических реакторах или экологических сообществах и показано, что прирост одних продуктов реакции или видов животных получается благодаря гибели других. В ряде случаев такая борьба должна приводить к колебаниям численности как «хищников», так и «жертв».
      Механизм появления колебаний очевиден. Допустим, что на некоторой территории живут рыси и зайцы. Рыси питаются зайцами. Если зайцев много, то рыси начинают быстро размножаться, так как не испытывают недостатка в пище. При этом численность зайцев будет уменьшаться. Снижение численности зайцев вызовет падение численности рысей, так как отсутствие пищи для рысей сначала ограничит их размножение, а затем естественное вымирание рыси приведет к уменьшению ее численности. Это в свою очередь увеличит численность зайцев и т. д. Таким образом, численность рысей и зайцев будет периодически изменяться с некоторым сдвигом по фазе (см. рис. на с. 107). На рис. (верхняя кривая) показан график изменения численности рыси и американского зайца-беляка (составлен по книгам, в которых регистрировалось число шкурок, сдаваемых охотниками за 1845 — 1935 гг. компании Гудзонова залива в Канаде).
      Колебательный процесс определяется только структурой связей между «хищниками» и «жертвами» и не требует рассмотрения никаких других причин. Однако около 60 лет назад советский биофизик A. L Чижевский обратил внимание на связь между колебаниями солнечной активности и процессами, происходящими в живом мире, в частности с периодичностью эпидемий, всплесками размножения животных и растений, с миграциями насекомых.
      Возникает вопрос: определяются ли параметры многогодовых колебаний только структурой внутренних связей в биосфере, или здесь еще имеется влияние внешних воздействий?
      Солнечная активность изменяется с периодами около 11, 22, 35, 90 и 220 лет. Влияние солнечных ритмов на явления живой природы, например на растительность, проявляется там, где имеется неустойчивая ситуация — континентальный климат, граница ледников, пересыхающие водоемы, зоны оползней, участки обильных разливов. Фазы колебаний процессов внутри биосферы синхронизируются «размазанными» атмосферой Земли температурными изменениями Солнца. Имеются десятки наблюдений, подтверждающих эту мысль.
      Приведем два примера — связь с динамикой солнечной активности изменения дифтерийной инфекции (по Вельховеру) и заготовки зайца-беляка в Якутии (по Колосову). Если дифтерийная бактерия быстро реагирует на изменение солнечной активности (см. рис., средний график), то для совмещения всплесков рождаемости зайцев с кривыми солнечной активности последние необходимо сдвинуть по фазе на 5 лет (см. рис., нижняя кривая), потому что рост численности «хищников» зависит от численности «жертв», а численность «жертв» зависит не только от «хищников», но и от собственных источников пищи — растений, те в свою очередь зависят от погодных условий, а погодные условия зависят от активности Солнца. В шуточной форме связь различных уровней в сложной системе выражена в балладе Джонатана Свифта:
      Блох больших кусают блошки, Блошек тех — малютки-крошки,
      В малютку же вонзает зуб сердито Блошиночка — и так ad infinitum1.
      В заключение отметим, что биологические системы научились сохранять периодику процессов, которая сформировалась внутри них под влиянием внешних физических факторов Земли и космоса. Эти периодические процессы называют биологическими часами. Понять их механизмы — это значит приобрести власть над временем. Однако исследование сложных биологических циклов только начинается.
      Человеку — «узконосой, голой обезьяне» — важно было усвоить, что жить только воспоминаниями — это значит существовать в прошлом, жить сегодняшними заботами — это находиться в настоящем, а жить стремлениями — это приближать будущее. Именно такое понимание времени сделало человека Человеком.
      1 ad infinitum (лат.) — «до бесконечности».
      В биофизическом представлении время — это прежде всего последовательность внешних и внутренних событий, которая может существенным образом влиять на развитие живой системы. Эта мысль отражена в выражениях: «время долго тянется», «время летит незаметно», «убить время за игрой», «отнять время». Время для развивающейся живой системы имеет информационную ценность, что нашло отражение также в известных школьных правилах:
      Ты думал: школа — не вокзал,
      Не страшно опоздать,
      Но тех, кто в школу опоздал,
      Она не станет ждать.
      Хоть без колес устроен класс —
      Он далеко уйдет за час.
      Биофизические направления и практические проблемы
      И мы, без ханжества и лести,
      За все, чем дышим и живем,
      Не по-раздельному, а вместе
      Свою ответственность несем.
      Ярослав Смеляков
      Природа едина, а деление на науки условно. При решении любой практической проблемы необходимо учитывать возможное воздействие на окружающую среду и здоровье человека, поэтому особая роль биофизики (с ее разносторонним подходом и арсеналом физико-математических методов исследования) очевидна.
      Экологическая грамотность — залог здоровья.
      Какие же проблемы стоят сегодня перед обществом, помимо главной — сохранения мира и предотвращения термоядерной катастрофы на планете? Таких проблем четыре: во-первых, создание методов контроля за изменениями среды, окружающей человека; во-вторых, дальнейшее развитие профилактики, диагностики, поддержания и восстановления здоровья человека; в-третьих, поиск путей обеспечения человека полезной для здоровья пищей; в-четвертых, определение вариантов рационального использования уменьшающихся запасов полезных ископаемых (нефти, угля, металлов и т. д.). Все проблемы решаются в комплексе. В противном случае возможны серьезные ошибки. Приведем примеры.
      Можно увеличить интенсивность сельского хозяйства, используя значительное количество химических удобрений и пестицидов — химических ядохимикатов: для борьбы с вредными насекомыми (инсектициды), с сорняками (гербициды), с болезнями сельскохозяйственных растений (фунгициды) и т. д. Однако при этом возрастет смыв химических веществ в реки и озера. Такой печальный опыт уже был. Например, в Канаде по р. Ямаске с июня по конец августа 1974 г. прошло 590 т вредных соединений, содержащих азот, 50% которых приходилось на отходы сельского хозяйства и около 25% — на отходы населенных пунктов. Нитраты попадали в водоемы, которые служили источником питьевой воды. Интенсивная подкормка привела к изменению химического состава растений. В моркови, щедро питаемой фосфорно-калийными удобрениями, в 3 — 5 раз повысилось содержание калия. В других растениях изменился аминокислотный состав, увеличилось содер жание соединений фосфора и азота. В результат у людей, потребляющих эти продукты и воду, воз никли предпосылки для развития различных забо леваний, в частности связанных с ухудшением пере носа кислорода гемоглобином крови. А это значит что третья проблема решалась в ущерб первой и вто рой. Подобные просчеты известны из практики и дру гих капиталистических стран (США, ФРГ).
      В настоящее время накоплен опыт, используя ко торый наука в состоянии предотвратить подобны последствия. Свыше 80 научных институтов Акадс мии наук СССР работают над вопросами Продоволь ственной программы, принятой XXVI съездом КПСС Первая задача — разработать удобрения и пепнци ды селективного действия. Сегодня существует свы ше 400 различных видов пестицидов. Вторая зада ча — законодательным порядком строго регламен тировать порядок (сроки, масштабы, виды) применения химических веществ в сельском хозяйстве.
      Однако наряду с химическими методами стимуляции сельского хозяйства существуют и физические. Предпосевное облучение семян различными электромагнитными волнами (например, использование ультрафиолетовых, инфракрасных или гамма-лучей) позволяет получить некоторую прибавку к урожаю. Применение электромагнитных полей и ультразвука позволяет бороться с вредителями растений и т. д. Космическая съемка поверхности Земли в различных длинах электромагнитных волн позволяет следить за состоянием почв, сельскохозяйственных культур и водоемов и своевременно вмешиваться в случае опасных отклонений. Выход человека в космос изменил наше миропонимание. Человечество осознало, как мала наша Земля и вмешиваться в процессы, происходящие в природе, нужно осторожно. В практической реализации этой установки большая роль принадлежит биофизике.
      Приведем другой пример. Недавно среди специалистов существовало мнение, что заболевание раком — это прежде всего следствие старения организма и вирусной инфекции. Однако теперь получены надежные статистические данные, что заболевания раком вызываются также нарушениями в окружающей человека среде и связаны с генетической чувствительностью к изменениям некоторых ее параметров. Поэтому раковые заболевания в значительной степени можно предотвращать путем выявления опасных факторов. Например, наблюдается увеличение заболевания раком легких и кишечника в развитых странах. Рак легких — это прежде всего следствие загрязнения воздуха выхлопными газами, содержащими канцерогены. Рост числа заболеваний раком кишечника объясняется исчезновением из рациона человека грубоволокнистой пищи и появлением в диете продуктов, содержащих вещества, из которых образуются нитрозамины, являющиеся сильными канцерогенами, а также уменьшением в пище количества витаминов. Известно, например, что недостаток витамина А может способствовать увеличению риска заболевания раком бронхов у курящих. Этот пример показывает, как тесно связано решение всех указанных выше четырех проблем, стоящих перед наукой.
      Выяснение причин заболеваний весьма запутано, потому что ишемия сердца, рак, расстройство кровоснабжения — каждый из этих терминов определяет множество процессов, характеризующихся десинхронизацией регулирующих систем организма. Финал этих нарушений может проявиться в виде либо инфаркта, либо злокачественной опухоли или инсульта.
      Механизм регуляции становится ясным лишь при системном анализе, включая исследования на клеточном и молекулярном уровне.
      Биотехнология и биотехника. Биофизика вносит свой вклад и в решение указанной выше четвертой проблемы. Во второй половине XX в. появился новый термин — биотехника. Этим термином определяется воздействие биологических наук, и в частности биофизики, на решение технических проблем и на улучшение промышленных технологий. Приведем несколько примеров.
      Из всех способов преобразования химической энергии в механическую живая система использует наиболее эффективный: преобразование идет при комнатной температуре, низком давлении и сравнительно высоком коэффициенте полезного действия (свыше 30%). При этом незначительное количество энергии переходит непосредственно в тепло. Биологические системы отличаются от существующих технических высокой «миниатюризацией (большими концентрациями энергии), низкими коэффициентами трения и большой надежностью.
      Существующие плотности энергии в технических системах, например, создаваемые электрическими и магнитными полями в газовой среде, составляют соответственно 102 Дж/м3 и 106 Дж/м3. В биологических системах в двойном электрическом слое, возникающем на границе твердой фазы и раствора электролита, плотность энергии Ю Ю8 Дж/м3. Это в 10 100 раз больше, чем энергия магнитного
      поля в электродвигателях. Кроме того, используется эффективный вид «смазки» — отталкивающиеся электрически заряженные молекулярные слои. Надежность биологических систем определяется самовосстановлением и системой дублирования рабочих элементов. Сердце человека (хемоэлектромеханиче-ский насос) делает за жизнь свыше 109 сокращений. Самые надежные механические системы обеспечивают не более 107 переключений.
      Возможность создания нового типа механохими-ческого двигателя доказана экспериментально. Функционирование его основано на том, что равновесие между двумя формами полимера, имеющего разные механические свойства, сдвигается при изменении химического потенциала среды. Полимер находится то в растянутом, то в сжатом состоянии.
      Если раньше исследователи шли в основном по пути воспроизведения в технике принципов, используемых в живых системах, то сегодня создаются гибридные системы, в которых одна часть выполнена в металле, а другая состоит из биоэлементов. Предпринимаются попытки создать компьютер, использующий элементы нервной системы. Его предполагают снабдить датчиками на биологической основе и исполнительными устройствами, в основе которых лежат молекулярные механизмы мышечного сокращения.
      Интерес к биологическим микроустройствам в мире не случаен. Дело в том, что источники биологических материалов дешевы и практически неогра-ничены благодаря непрерывным методам культивирования микроорганизмов и животных клеток. Биоустройствами обеспечивается широкий спектр преобразуемых видов энергии — химической, механической, световой, электрической, а в ряде случаев возможна обратимость процессов преобразования — это позволяет использовать одни и те же датчики в различных системах в зависимости от задач. Благодаря успехам молекулярной биологии их можно конструировать с заранее заданными свойствами, избирательной реакцией и высокой чувствительностью. Эти и многие другие преимущества делают биологические системы конкурентоспособными с техническими, а по некоторым параметрам позволяют превосходить их.
      Один из перспективных путей — создание биологических микродатчиков, где рабочим телом служит кристалл белка, представляющий собой «конструкцию», упругие свойства которой различаются в разных направлениях. Результаты исследований позволили охарактеризовать ее как шарнирную. Изучая эту конструкцию, можно выявить свойства составляющих ее элементов. Например, в Институте биологической физики АН СССР для белка-лизоци-ма была измерена жесткость шарнирного соединения в молекуле, факторы, определяющие эту жесткость. Разработанные методы оказались универсальными, чувствительными при малейших изменениях формы молекулы белка. На основе регистрации этих изменений можно создавать различные варианты биодатчиков для определения концентрации веществ в растворе.
      Не вдаваясь в детали, отметим еще один результат исследований. Обнаруженная способность бел-
      ков-ферментов менять свойства при связывании продуктов реакций может служить основой для создания не только микродатчиков, но и двигателей, концентраторов, триггеров и т. д.
      Другое направление в конструировании микродатчиков — использование биолюминесценции — окисления восстановленных веществ внутри клетки специфическими ферментами, которое сопровождается выделением квантов света. С помощью этой реакции удается тестировать изменение концентрации многих веществ, участвующих в реакции, по изменению интенсивности свечения. Чувствительность био-люминесцентных методов при измерении веществ очень высока (до 10 19 М). Созданием таких микродатчиков в СССР занимается ряд институтов.
      Новый этап на пути развития запоминающих устройств и создания «чувствующих роботов» открывает использование в качестве рабочих тел активных биологических пленок. Речь идет о новых возможностях получения бессеребряных запоминающих оптическую информацию фотоносителей. В живой природе существует ряд легко получаемых биологическим способом фотопигментов, приспособленных в процессе эволюции для взаимодействия со светом.
      Особое место среди фотопигментов занимает родопсин — светочувствительное вещество (гликопротеид), которое входит в состав клеток сетчатки глаза человека и животных. Поглощая квант света, родопсин меняет свою окраску. В темноте он вновь восстанавливается. Родопсин содержится в относительно больших количествах во внешних мембранах ряда фотосинтезирующих бактерий (фототро-фов), например солелюбивых пурпурных бактерий Халобактериум халобиум, которые с участием этого белка энергию света преобразуют в электрохимическую энергию мембранного потенциала. В этом случае он носит название бактериородопсина.
      Около 10 лет назад в СССР по инициативе академика Ю. А. Овчинникова был создан проект «Родопсин», целью которого было объединение усилий биохимиков, биофизиков и физиологов в направлении детального исследования структуры и механизмов функционирования родопсинов. В результате совместной работы стали ясны детали фотохимического цикла в пурпурных мембранах и первичного механизма действия света на бактериородопсин. Была расшифрована структура бактериородопсина. Стало ясно, что он может обратимо функционировать в растворе и тонкой пленке; как влажный, так и полностью обезвоженный, не утрачивает своих функциональных свойств при нагревании до 100° С, устойчив к действию многих химических агентов и сильных электрических полей.
      В Институте биологической физики АН СССР было обнаружено, что обезвоженный бактериородопсин может «останавливаться» на определенной стадии фотохимического цикла, сохраняя записанное на нем изображение. Появилась идея использовать его как фотоматериал. В 1978 г. на основе бактериородопсина изготовили первую фотопленку, а к 1982 г. совместными усилиями усовершенствовали ее настолько, что был создан фоторегистрирующий материал с параметрами, превосходящими фото-хромы, известные сегодня в мире.
      Высокая разрешающая способность биохромных материалов в сочетании с лазерной техникой, позволяющей быструю запись и стирание оптической информации, делает возможным создание на их основе запоминающих устройств. Молекулы бактериородопсина (и их модификации) по разрешающей способности являются удачными кандидатами на фотоматериал. Молекула родопсина представляет собой глобулу (точнее, эллипсоид вращения). Такие глобулы легко кристаллизуются, образуя пленку с шагом решетки около 40 А. Каждая молекула родопсина при взаимодействии с квантом света, распадаясь, меняет цвет. На диске из биохромного материала размером с долгоиграющую пластинку может быть записана информация, которая содержится во всех книгах крупной библиотеки. Эти разработки — начало использования пигментных комплексов биологического происхождения в технических целях.
      Несколько слов о перспективах создания вычислительных биоустройств. Скорость распространения нервного импульса по нервному волокну, аксону, — около 20 м в секунду, длительность импульса возбуждения — около 3 мс, за импульсом тянется рефрактерный «хвост» приблизительно в 2 раза длиннее, чем сам импульс. Таким образом, быстродействие вычислительного устройства на нейронной сети хотя и возможно, но составляет не более 100 операций в 1 с. С другой стороны, существующие сегодня микропроцессоры для вычислительных машин имеют производительность порядка 106 операций в 1 с, ожидается создание ЭВМ с производительностью 109 операций, а к 2000 г., по прогнозу, быстродействие ЭВМ составит 1012 операций в 1 с. Однако если перейти на молекулярный уровень организации биологического компьютера, то выигрыш технических систем перед биологическими устройствами станет несущественным.
      Мы живем в нелинейном мире, а аппарат математической физики приспособлен прежде всего для описания линейных или нелинейных процессов вблизи равновесия. Поясню эту мысль на примере.
      Допустим, мы исследуем движение системы, состоящей из большого числа частиц разного вида. Частицы взаимодействуют между собой. В результате столкновения частиц одного вида с частицами другого вида появляются частицы с новыми качествами. Как и куда будет эволюционировать система, состоящая из таких частиц, какие параметры ускоряют эволюцию системы в желаемом направлении, а какие замедлят ее, возникают ли в системе неожиданные переходы и т. д.? Способ решения таких задач состоит в прямом численном интегрировании с помощью ЭВМ уравнений движения в частных производных для каждой группы частиц. Однако из-за трудоемкости такие расчеты при больших количествах частиц невозможны. С другой стороны, потребность в решении таких задач постоянно возникает в науке и технике, например задач на удержание в ловушках плотной плазмы при термоядерном синтезе, образование кристаллических структур, кинетику химических процессов, эволюцию биологических популяций и т. д.
      Один из путей преодоления трудностей — переход от дискретной процедуры расчета к волновой с использованием вычислительных устройств на активных биологических пленках или специальным образом организованных автоволновых химических реакциях. Замечу, что кристаллоподобные пленки из белков и ферментов при определенных условиях могут быть активной средой, по которой распространяются автоволны. Что такое автоволны?
      Это волны в активных средах, сохраняющие свои характеристики постоянными за счет распределенного в среде источника энергии. Иными словами, их характеристики — период, длина волны — зависят только от местных свойств среды. Амплитуда волн определяется энергией, запасенной в среде.
      Каждая молекула белка, элементарная ячейка пленки — это активный элемент среды, который мо-
      жет находиться в нескольких устойчивых состояниях. Если по такой среде движется волна со скоростью, например, 0,1 мм/с, то в линейном случае, в пересчете на дискретный вариант, получим 106 операций в 1 с. Пленка размером в квадратный сантиметр может содержать свыше 1012 таких активных элементов. При движении плоской волны по такой пленке будем получать каждую секунду 1012 переключений.
      Пример активной среды — колебательная реакция Белоусова — Жаботинского в тонком слое (см. рис. на с. 119). Она сама по себе может служить аналоговым компьютером для исследования нелинейных систем, описываемых дифференциальными уравнениями параболического типа. Разнообразные структуры пятен, возникающих в этой реакции, говорят исследователю, куда и как будет развиваться нелинейный процесс, и являются наглядными решениями уравнений указанного типа.
      Последнее чрезвычайно важно, потому что именно этим уравнениям соответствуют многочисленные процессы, происходящие в физических, химических и биологических системах: распространение тепла, горение, работа поверхностных катализаторов, распространение эпидемий, волн возбуждения в мозгу, сердце и т. д.
      Одним словом, определяющим здесь является распространение автоволн в активной среде, вне зависимости от природы среды. Это позволяет закономерности, обнаруженные на химической активной среде, обобщать на широкий класс явлений и, наоборот, эмпирически обнаруживаемые закономерности на других объектах проверять на химической среде.
      Сегодня открыто более 50 автоволновых химических и биохимических реакций, аналогичных реакции Белоусова — Жаботинского, часть из них — цветные или флуоресцентные, это делает возможным их непосредственное наблюдение и использование как аналоговых вычислительных устройств.
      Микротехника, создаваемая из биологических материалов, делает первые шаги, но нет ничего удивительного в том, что через 10—15 лет она станет таким же распространенным элементом управления технологическими и исследовательскими процессами, какими в наши дни стали технические микроустройства.
      Жидкость, которой можно дышать. Еще об одном практическом приложении — использовании пер-фторуглеродов. Фтор — сильный окислитель, активный неметалл, реагирует со всеми элементами, кроме инертных газов, взрывоопасен (не случайно слово «фторос» в переводе с греческого означает «разрушение»). Агрессивность фтора можно усмирить, насытив его валентные связи другими элементами, например углеродом. Так появились фтороргани-ческие соединения. На основе этих соединений были получены многие вещества, которые используются сегодня в качестве смазочных масел, гидравлических жидкостей, покрытий трущихся деталей и посуды (фторопласты), наполнителей холодильных установок (фреоны), специальных красителей и т. д.
      Если в органическом соединении произведено полное замещение водорода на фтор (на это указывает приставка «пер»), то мы получим перфторуглероды. Эти вещества обладают интересными физическими свойствами, которые позволяют успешно использовать их в биологии и медицине. В настоящее время синтезируется большое количество перфорированных соединений, многие из которых помимо углерода содержат атомы кислорода, азота, водорода, но их часто по-прежнему называют перфторуглеродами, хотя правильнее их называть перфторорганическими соединениями (ПФОС).
      Они обладают рядом удивительных свойств, среди которых наиболее привлекательны для биофизиков их химическая инертность и способность растворять большие количества газов: при нормальном барометрическом давлении до 50 объемных процентов кислорода и до 190% углекислого газа. Именно в силу этого ПФОСы стали основными кандидатами на роль уникальных переносчиков кислорода, на основе которых оказалось возможным предложить отличные от традиционных методы «искусственного дыхания» для выращивания клеток вне организма, для поддержания жизнедеятельности органов, готовых к трансплантации, и, наконец, для создания специальных эмульсий, которые могут выполнять одну из главных функций крови — обмен углекислого газа на кислород.
      Использование ПФОСов в биологии и медицине имеет свою историю. В 1962 г. И. Килстра опубликовал статью под сенсационным названием «Мышь как рыба». Он показал, что мышь может оставаться живой, будучи погруженной в физиологический раствор, который под повышенным давлением насыщается кислородом. В 1966 г. I. Кларк и Ф. Голлан обнаружили, что такой эффект можно получить при нормальном атмосферном давлении, если вместо воды применить ПФОСы (рис. на с. 122). На фотографии показана мышь, которая дышит кислородом, растворенным в перфторуглероде. Длительное жидкостное дыхание в ПФОСах невозможно, они в 2 раза тяжелее воды и в 1000 раз тяжелее воздуха, поэтому мускулатура диафрагмы легких животного не может долго выдерживать такой нагрузки. Однако принудительное прокачивание через легкие может позволить животному довольно долго дышать такой жидкостью.
      Если удастся разработать безвредные методы дыхания человека жидкостью, то водолазы смогут опускаться на значительно большие глубины, чем сейчас, без опасности кессонной болезни и азотной интоксикации. Расширятся возможности завоевания человеком глубин Мирового океана.
      Разработка этого аспекта применения ПФОСов также может оказаться полезной для медиков, в частности при промывании легких (лаваж) у больных бронхиальной астмой, при лечении тяжелых форм отеков легких в результате нарушения секреции поверхностно-активных веществ. Использование в этих случаях ПФОСов в качестве сред, растворяющих большие количества кислорода, будет существенным шагом вперед по сравнению с теми традиционными «гипоксическими жидкостями», которые применяются в медицине в настоящее время.
      Еще одно применение ПФОСов связано с созданием кровезаменителей, дефицит в которых растет с каждым годом. Сегодня в Нью-Йорке, Лондоне или Париже за литр донорской крови платят до 100 долларов. Кровь стала предметом бизнеса. Появились специальные компании, например «Хэмо Карибиэн компании, которые скупают кровь в странах Латинской Америки и Африки и перепродают ее фармакологическим фирмам и клиническим учреждениям в своих странах. Дефицит порождает спекуляцию. Вопрос создания дешевых и надежных кровезаменителей остро стоит на повестке дня.
      Первое переливание человеку кровезаменителя, созданного на основе ПФОСов, было произведено в 1978 г. в медицинском центре Фукушима в Японии. У больного была редкая группа крови, которой не оказалось в клинике, и ему влили один литр кровезаменителя (что составляет не более 20% крови). Весьма вероятно, что это было сделано еще и с рекламной целью. Однако следует заметить, что профессор Риончи Наито предварительно испытал этот препарат на самом себе.
      В Советском Союзе, начиная с 70-х гг., велись исследования по созданию искусственных кровезаменителей на основе ПФОСов. В апреле 1980 г. мне выпала честь доложить о результатах использования ПФОСов в биологии и медицине на Президиуме АН СССР. В 1979 г. в Институте биологической физики АН СССР были осуществлены успешные эксперименты по замене крови на собаках (до 70%). В 1984 г. Фармкомитет СССР разрешил применение в клиниках по особым показаниям отечественного кровезаменителя, созданного биофизиками в содружестве с химиками и медиками.
      Сейчас видно, что «искусственная кровь» на основе ПФОСов обладает рядом преимуществ перед донорской: отсутствием проблем, связанных с групповой, подгрупповой несовместимостью и иммунологическим конфликтом; снятием проблемы передачи вирусного гепатита и других инфекций; возможностью организации массового производства.
      Мы привели несколько примеров прикладных биофизических исследований. Такие приложения открывают новые возможности для практики, которые еще недавно казались фантастическими.

|||||||||||||||||||||||||||||||||
Распознавание текста книги с изображений (OCR) — творческая студия БК-МТГК.