К 40-летию кафедры биофизики
Статья заведующего кафедрой биофизики профессора В.А. Твердислова.
29 октября 1959 года ректор Московского университета академик И.Г.Петровский подписал приказ о создании на физическом факультете кафедры биофизики. Это была первая в мире кафедра биофизики, которая начала готовить специалистов-биофизиков из физиков (до того биофизиков готовили из биологов или медиков). 30 лет кафедрой руководил Л.А.Блюменфельд, ныне профессор кафедры, последние 10 лет кафедрой заведует профессор В.А.Твердислов.
История биофизики в Московском университете восходит к началу века. Российская биофизика как направление в значительной степени формировалась в среде выдающихся русских ученых начала века - физиков, биологов, медиков, тесно связанных с Московским университетом. Среди них были К.А.Тимирязев, И.М.Сеченов, Н.К.Кольцов, В.И.Вернадский, П.Н.Лебедев, Н.А.Умов, П.П.Лазарев, позднее - С.И.Вавилов, В.Л.Левшин, В.В.Шулейкин, А.Л.Чижевский и многие другие.
Первый в России лекционный курс под названием “Биофизика” был прочитан для врачей при клинике Московского университета в 1922 году Петром Петровичем Лазаревым, в 1917 году избранным по представлению И.П.Павлова академиком. П.П.Лазарев окончил медицинский факультет Московского университета в 1901 году. Далее он сдал полный курс физики и математики и работал в физической лаборатории, руководимой П.Н.Лебедевым, а после кончины своего учителя в 1912 году возглавил ее. С 1920 по 1931 год П.П.Лазарев возглавлял созданный по его инициативе Государственный институт биофизики (“Институт физики и биофизики”, впоследствии известный как ФИАН им. П.Н.Лебедева).
Первые десятилетия становления биофизики были тесно связаны с успехами классической физики. Из них берут свое начало термодинамические и кинетические теории ионного транспорта и электрического возбуждения в клетках, мышечного сокращения, ферментативного катализа, слуха, зрения и фотосинтеза.
С 40-х годов в биофизике начались разительные перемены. И то было велением времени - совершившая к середине нашего века феноменальный скачок физика активно входила в биологию. Однако, к концу 50-х годов эйфория от ожидания быстрого решения сложных проблем живого быстро проходила: физикам без фундаментального биологического и химического образования сложно было выделять доступные физике, но именно "биологические" аспекты функционирования живых систем, а настоящие биологи и (био)химики о существовании специфических физических проблем и подходов, как правило, и не подозревали. Насущной необходимостью для науки тех и последующих дней стала подготовка специалистов с тремя фундаментальными образованиями: физическим, биологическим и химическим.
В нашей стране была еще одна важная причина возникновения в 40-е годы тесного союза между биологией и физикой. После непрофессионального, разрушительного вмешательства политиков того времени в фундаментальные направления генетики, молекулярной биологии, теории и практики природопользования некоторая часть ученых-биологов смогла продолжить свои исследования лишь в научных учреждениях физического профиля.
На помощь биологам пришли физики и математики. И.Е.Тамм, П.Л.Капица, И.В.Курчатов, Н.Н.Семенов, А.А.Ляпунов и, особенно, ректор Московского Университета И.Г.Петровский неоднократно обращались в самые высокие инстанции, указывая на недопустимость сложившейся ситуации. На протяжении многих лет не только в МГУ, но и во всех других ВУЗах страны студенты не получали знаний по кардинальным разделам биологии. Не менее тяжелой была картина в средних школах страны. Сторонники Т.Д.Лысенко на биологических факультетах блокировали попытки исправления положения. Знаменательно, в связи со сказанным, что первый доклад о строении ДНК и работе Уотсона и Крика был сделан в 1956 году физиком И.Е.Таммом ("О биологическом коде"). Чрезвычайно большое значение для процесса восстановления истинной науки имели прочитанные на физическом факультете лекции Н.В.Тимофеева-Ресовского ("Зубра") - выдающегося генетика современности, ученика С.С.Четверикова и Н.К.Кольцова, приехавшего с Урала, где он тогда работал.
Студенты физического факультета остро реагировали на происходящие события. Представлялось возможным дать строгий физический анализ наиболее замечательному явлению во Вселенной - явлению Жизни. Переведенная в 1947 году книга Э.Шредингера "Что есть жизнь. Цитологический аспект живого", лекции И.Е.Тамма, Н.В.Тимофеева-Ресовского, семинар А.А.Ляпунова, новейшие открытия в биохимии и биофизике побудили группу студентов обратиться к И.Г.Петровскому с предложением ввести преподавание биофизики на физическом факультете. Ректор с большим вниманием отнесся к инициативе студентов. Были организованы лекции и семинары, которые с энтузиазмом посещали не только инициаторы, но и присоединившиеся к ним однокурсники, составившие потом первую группу специализации "Биофизика" физического факультета МГУ и ныне являющиеся гордостью отечественной биофизики.
Известно, что биофизикой занимаются и биологи, и химики, и медики, и инженеры, и военные, однако система подготовки биофизиков оказалась оптимальной на базе общефизического университетского образования. При этом биофизика трактовалась и трактуется как наука о фундаментальных, физических и физико-химических, основах строения и функционирования живых систем на всех уровнях организации - от субмолекулярного уровня до уровня биосферы. Предмет биофизики - живые системы, метод - физика и физикохимия.
Этим тезисом, как теперь представляется, руководствовались идейные основатели образовательного физического направления биологической физики, инициировавшие создание кафедры биофизики на физическом факультете МГУ, академики И.Г.Петровский, И.Е.Тамм, Н.Н.Семенов (математик - ректор университета и два Нобелевских лауреата - физик-теоретик и физикохимик). Со стороны администрации создание специализации "биофизика" на физфаке воплотили декан профессор В.С.Фурсов, все годы поддерживавший ее развитие, и его заместитель В.Г.Зубов. Первыми сотрудниками кафедры стали физикохимик Л.А.Блюменфельд, биохимик С.Э.Шноль, профессор кафедры, и физиолог И.А.Корниенко.
Сейчас на кафедре биофизики работает 23 человека. Из них - 9 докторов наук (8 профессоров, включая совместителей), 9 кандидатов. На кафедре обучается несколько более 70 студентов, 26 аспирантов. За годы существования кафедры выпущено более 600 специалистов-биофизиков, большая часть из которых успешно работает по специальности в академических и медицинских учреждениях, в вузах. Из окончивших – около 70 иностранцев.
По традиции образование строится постадийно: общая биология – на 3-м курсе, физическая и квантовая химия, биохимия – на 4-ом, спецкурсы, касающиеся физических основ строения и функций биомолекул, физике воды и растворов, биоэнергетики, фотосинтеза, экспериментальных методов в биофизике, математических методов моделирования биосистем и др. – на 4-ом и 5-ом. После 3-го курса проводится учебная биологическая практика на Беломорской биологической станции МГУ.
Структура биофизического образования на физическом факультете
Общефакультетский курс (до распределения студентов по кафедрам):
Введение в биофизику 3 курс, 5 семестр, 36 часов, зачет (с 1994)
Профессор Твердислов В.А.
Спецкурсы кафедры биофизики (новые - отмечены, с какого года, курсивом - курсы по выбору):
1. Общая биология 3курс, 6 семестр, 2ч/нед, (отд. расп.), экзамен, всего 196ч.
канд биол. наук Меньшенина Л.Л.
2. Биофизическая химия 3к., 6 сем., 2ч/н., зачет, 32ч, (с 1998)
профессор Твердислов В.А.
3. Физическая химия 4к., 7 сем., 6ч/н (из них 2 ч. - семинар), экзамен,108ч
канд. физ.-мат. наук Яковенко Л.В.
канд. физ.-мат. наук Иванов П.С.
канд. физ.-мат. наук Пешехонов В.В.
4. Физиология человека и животных 3к., 6 сем., 4ч/н., зачет
профессор Чепурнов С.А. 4к., 7 сем., 2ч/н., экзамен, всего 100ч.
5. Биохимия 4к., 7 сем., 3ч/н., зачет
профессор Шноль С.Э. 4к., 8 сем.,3ч/н., экзамен, всего 102ч.
6. Физико-химическая биология 4к., 7 сем., 1ч/н., 18ч
профессор Атауллаханов Ф.И. 4к., 8 сем., 3ч/н., 48ч.зачет, всего 66ч. (с 1996)
7. Нелинейная динамика 4к., 7 сем., 3ч/н., диф. зачет, 54ч.
профессор Атауллаханов Ф.И.
8. Квантовая химия и строение молекул 4к., 8 сем., 2ч/н., экзамен, всего 32ч.
профессор Кукушкин А.К.
9. Методы расчета электронных свойств
сложных молекул 4к., 8 сем., 2ч/н.(семинары), всего 32ч.
асп. Кузнецова С.А.
10. Радиоэлектроника в биофизике 4к., 8 сем., 2ч/н, зачет, всего 32ч.
доцент Тульский С.В.
11. Радиоспектроскопия и магнитные свойства молекул
профессор Рууге Э.К. 5к., 9 сем., 2ч/н, экзамен, всего 36ч.
12. Оптические и электрические свойства молекул 5к., 9 сем., 2ч/н, экзамен, всего 36ч.
профессор Кукушкин А.К.
13. Физика биополимеров 5к., 9 сем., 2ч/н., зачет
доцент Есипова H.Г. 5к., 10 сем., 2ч/н., экзамен, всего 68ч.
14. Статистические методы в биофизике 5к., 9 сем., 2ч/н, (лекции/семинары), экзам., 36ч.
профессор Лобышев В.И.
15. Физика конденсированного состояния 5к., 9 сем., 2ч/н., экзам., 36ч.
профессор Лобышев В.И.
16. Введение в иммунохимию (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч/н, зачет, 24ч. (с 1998)
профессор Харитоненков И.Г.
17. Методы магнитной спектроскопии в биофизических и
медико-биологических исследованиях (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч/н., зачет, 32ч.
профессор Рууге Э.К.
18. Избранные главы современной биофизики (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч/н., зачет, 32ч.
профессор Блюменфельд Л.А.
19. Биоэнергетика (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч/н., экзамен, 32ч., (с 1995)
профессор Тихонов А.H.
20. Мембранная биоэнергетика 5к, 10 сем., 2ч/н., зачет, 16 ч., (с 1999)
академик Скулачев В.П.
21. Вода и водные растворы (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч/н, зачет, 32ч.
доктор биол. наук Зацепина Г.H.
22. Основы самоорганизации (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч/н, зачет, 32ч., (с 1994)
профессор Гурия Г.Т.
23. Основы молекулярной биологии 5к., 10 сем., 4ч/н., зачет, 64ч., (с 1996)
академик Георгиев Г.П.
24. Биофизика мембран (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч./н., зачет, 32ч., (с 1999)
профессор Твердислов В.А.
25. Медицинская биофизика (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч/н., зачет, 32ч., (с 1999)
профессор Рууге Э.К., доцент Бутылин А.А.
26. Биофизика поверхности молекулярных структур (курс по выбору)
5к., 10 сем., 2ч/н., зачет, 32ч., (с 1998)
доцент Хомутов Г.Б.
27. Биофизика фотосинтеза и экология (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч/н, зачет, 32ч., (с 1999)
профессор Кукушкин А.К.
28. Экологическая безопасность экосистем (курс по выбору) 5к, 10 сем., 2ч./н., зачет, 32ч., (с 1999)
профессор Аникиев В.В.
29. Физические методы в молекулярной биологии (курс по выбору) 5к., 10 сем., 2ч/н., зачет, 32ч., (с 1999)
профессор Сердюк И.H.
По масштабам физического факультета кафедра биофизики небольшая, но исторически сложилось так, что исследованиями ее сотрудников перекрывается существенная часть фундаментальной и прикладной биофизики. К основным научным достижениям кафедры, по-видимому, следует отнести следующие.
Одновременно с группой американских исследователей впервые в мировой научной практике в конце 50-х годов получен и подробно исследован сигнал ЭПР от парамагнитных центров биологического образца. Выяснена природа сигнала и его связь с ферментативной активностью в процессах фотосинтеза и окислительного фосфорилирования (Л.А.Блюменфельд, Э.К Рууге, А.Н.Тихонов).
В 60-х – 70-х годах детально исследованы механизмы реакции Белоусова в сосредоточенных и распределенных системах, развиты новые подходы в выяснении основ функционирования биологических часов и принципов самоорганизации на основе автоволновых процессов на клеточном, организменном, популяционном уровне: полиферментные реакции, система свертывания крови, автоволны в трофических почвенных сетях и т.д. (С.Э.Шноль, А.М.Жаботинский, А.Н.Заикин, Ф.И.Атауллаханов, В.А.Твердислов).
Предложена и экспериментально обоснована релаксационная концепция ферментативного катализа («белок – машина») для систем синтеза АТФ в митохондриях и хлоропластах, мышечного сокращения, ионных насосов мембран (Л.А.Блюменфельд, С.Э.Шноль, В.А.Твердислов, В.И.Дещеревский, А.Е.Букатина, А.Н.Тихонов, Л.В.Яковенко).
На основании оригинальных экспериментальных исследований разработана общая схема реакций и математическая модель регуляции световых и темновых процессов фотосинтеза (А.К.Кукушкин, В.А.Караваев, М.К.Солнцев).
Экспериментально и теоретически обоснована гипотеза, согласно которой характерное для биологических систем асимметричное и неравновесное распределение ионов возникло при образовании морских аэрозолей. Исследовано распределение концентраций неорганических ионов и энантиомеров аминокислот, электрического потенциала и температуры в тонком поверхностном слое раствора (при различных режимах испарения воды). Показано, что в отсутствие равновесия между раствором и воздухом поверхностный слой обогащается ионами калия, а также одним из энантиомеров рацемической смеси аминокислот (В.А.Твердислов, Л.В.Яковенко, совместно с Г.Г.Хунджуа).
За последние годы сотрудниками кафедры получены важные, на наш взгляд, научные результаты, частично приведенные ниже.
1. Теоретически объяснено существование значительных проявлений действия малых концентраций субстратов в биохимических системах, объясняющее ряд наблюдавшихся ранее явлений в кинетике ферментативного катализа; Экспериментально показано существование кинетически неравновесных состояний белков и выявлена их роль в ферментативном катализе, а также в процессах энергетического сопряжения в митохондриях и хлороплас¬тах высших растений (Л.А.Блюменфельд).
2. Получила дальнейшее развитие теоретическая модель первичных процессов фотосинтеза и цикла Кальвина, в которой рассмотрены основные регуляторные связи в системе фотосинтетических реакций (А.К.Кукушкин).
3. Выявлены новые механизмы регуляции электронного транспорта в хлоропластах, обусловленные трансмембранным переносом протонов в тилакоидах; проведено теоретическое исследование кинетики фотоиндуцированного транс¬порта электронов в хлоропластах, сопряженного с трансмембранным переносом протонов (А.Н.Тихонов).
4. Установлены корреляции между люминесцентными параметрами листьев различных растений и их физиологическими и биохимическими характеристиками. Это позволило в ряде случаев методами термолюминесценции и медленной индукции флюоресценции эффективно выявлять больные растения на ранней стадии заражения. Данный подход позволяет проводить экологический мониторинг растений в условиях антропогенных воздействий (М.К.Солнцев, В.А.Караваев)
5. Получила дальнейшее экспериментальное и теоретическое обоснование гипотеза, касающаяся возникновения предшественников живых клеток на поверхности мирового океана (В.А.Твердислов, Л.В.Яковенко).
6. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность взаимодействия вирусов гриппа с искусственными бислойными липидными мембранами, содержащими введенные в них рецепторы (А.А.Бутылин, В.А.Твердислов)
7. Впервые предложена распределенная модель почвенной трофической цепи, рассматриваемой в качестве активной среды с различными динамическими режимами, в частности, автоволновыми. Модель имеет непосредственное отношение к регенерации почв при вредных антропогенных воздействиях (В.А.Твердислов, П.С.Иванов, совместно с А.Н.Заикиным, ИТЭБ РАН).
8. При измерениях временных параметров протекания ряда физических, физико-химических и биологических процессов обнаружена корреляция флуктуаций этих параметров с некоторыми космофизическими характеристиками (С.Э.Шноль).
9. Проведено изучение свободнорадикальных центров и активных форм кислорода в клетках миокарда. На модели изолированного, перфузируемого сердца пока¬зано, что как во время нормальной оксигенации, так и в условиях глобальной ишемии часть молекул одноэлектронных переносчиков дыхательной цепи митохондрий находится в свободнорадикальном состоянии. При исходной перфузии и постишемической реперфузии основная часть свободнорадикальных центров - частично восстановленные молекулы убихинона, при ишемии - флавиновые коферменты. Постулировано и на моделях изолированных митохондрий и кардиомиоцитов экспериментально обосновано, что усиленная генерация кислородных радикалов в сердечной мышце, приводящая к гибели клеток, может быть обусловлена компонентами электрон-транспортной цепи митохондрий (Э.К.Рууге).
10. Усовершенствована установка для исследования Ленгмюровских монослоев амфифильных веществ на поверхности раствора и перенесения их на твердотельные подложки. Проведено комплексное исследование взаимодействия монослоя стеариновой кислоты с ионами металлов и карборановых соединений в растворе. Изучены физические свойства соответствующих моно- и мультислойных ЛБ пленок с помощью диаграмм "поверхностное давление-площадь монослоя", ЭПР-спектроскопии, СТМ, малоуглового рентгеновского рассеяния. Полученные результаты существенным образом продвигают возможности создания наноэлектронных приборов (Г.Б.Хомутов, Е.Солдатов, С.А.Яковенко).
11. Продолжены исследования влияния слабых магнитных и электромагнитных полей на оптические характеристики разбавленных водных растворов белков, пептидов и воды. Обнаружена долговременная релаксация (около 110 мин.) степени поляризации люминесценции и оптического поглощения в разбавленных растворах глицилтриптофана после прекращения действия сла¬бого постоянного магнитного поля (порядка 0,01 Т ) или поляризованного света низкой интенсивности. Величина эффекта зависит от длительности воздействия, а процесс релаксации отличен от экспоненциального и имеет вид затухающих колебаний. Полученные результаты дают основание рассматривать воду и разбавленные водные растворы как коллективную неравновесную систему, чувствительную к слабым внешним воздействиям (В.И.Лобышев совместно с Р.Э.Шихлинской и Б.Д.Рыжиковым).
12. Продолжена разработка концепции электрической регуляции в многоклеточных организмах и на ее основе метода дифференциальной диагностики и лечения ряда заболеваний человека. Усовершенствован портативный генератор внешнего электрического тока, который успешно применяется в медицинской практике для компенсации нарушений электрического поля человека, вызванного различными заболеваниями (Г.Н.Зацепина, С.В.Тульский).
Замечательным образом 40-летний юбилей кафедры биофизики совпал с проведением в августе 2-го Съезда биофизиков на базе МГУ. Кафедра биофизики физфака была одним из устроителей Съезда. России. 1-й Биофизический съезд был Всесоюзным и проходил, как и нынешний, в МГУ в 1982 году. Тогда в работе Съезда приняло участие более 2000 ученых из всех республик страны. В работе 2-го Съезда приняло участие несколько менее 800 человек, в основном, россиян, преимущественно москвичей, хотя заявлено и опубликовано было около 3000 тезисов докладов. Сказались сегодняшние условия. Однако, при фактическом отсутствии финансирования сотрудники и студенты кафедр биофизики физического и биологического факультетов самоотверженно обеспечили проведение Съезда на самом высоком уровне.
Сравнивая материалы Съездов, можно отметить, что, несмотря на пессимистические мнения о состоянии отечественной науки, уровень исследований, определенно, не снизился, хотя несколько изменились приоритеты и организационные формы нашей науки. На 2-ом Съезде были разносторонне представлены традиционные направления фундаментальной биофизики, такие как строение и динамика белков и нуклеиновых кислот, механизмы трансформации энергии в биологических системах, биофизика мембран и биологической подвижности, фотобиология и рецепция и т.д. В области экспериментальных исследований можно заметить, что значительно выросла степень научной кооперации. Заметно возросло число работ в области экологической биофизики и исследования механизмов воздействия физико-химических факторов на биологические объекты. Как и в прежние годы, работы по математическому моделированию и биофизике сложных систем соответствовали самому высокому мировому уровню. Как и во всем мире, увеличилось число исследований в области медицинской биофизики связанной, в частности, с молекулярной генетикой и фармакологией. Более 200 докладов было представлено сотрудниками кафедры биофизики, ее студентами, аспирантами и выпускниками.
Характерной особенностью тенденций развития современного естествознания является смещение научных интересов исследователей в область наук о живом – к биологии, экологии, медицине. Физический факультет обладает уникальными в мире возможностями подготовки специалистов в области наук о Живом. 40-летний опыт кафедры биофизики однозначно свидетельствует об этом.