Памяти наших учителей Л.А.Блюменфельда и С.Э.Шноля.

2021 год – кафедре биофизики 62 года

 

В.А. Твердислов

 

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

Ленинские горы, дом 1, строение 2, Физический факультет, 119991, ГСП-1, Москва, РФ

e-mail: tverdislov@mail.ru

 

 

«Переживаемая нами эпоха

должна служить не къ разъединенiю,

а къ сближенiю задачъ объ организованномъ

и неорганизованномъ въ природе.

Не только въ области жизни,

но и въ области неживой матерiи.

Физико-механическая модель живой матерiи

есть стройность.»

Н.А.Умов

1902 г.

 

Я прожил жизнь. Не мне судить,

Как прожил — хорошо иль плохо,

Но не смогла совсем убить

Меня во мне моя эпоха.

Л. А. Блюменфельд

 

 

  Идут годы и многое, связанное с историей наук в стране и в Московском университете, постепенно стирается в памяти. Это естественный процесс. И мы непростительно мало знаем о наших замечательных предшественниках. И ещё более непростительно, что мы теряем их мысли и идеи.

  Исполняется 62 года первой в мире кафедре биофизики, созданной у физиков. Этот юбилей – важный повод напомнить о физиках и биофизике. «Физическая» биофизика России и Московского университета много старше кафедры и восходит своими истоками непосредственно к именам М.В.Ломоносова, Н.А.Умова, П.Н.Лебедева, П.П.Лазарева. Как раз об этом, как и об истории создания самой кафедры осенью 1959 года, будет идти речь.

 

О биофизике

Сначала о предмете исследования биофизики как науки – о живой материи. Исторически биофизику относят к биологии, называя её разделом биологии, изучающим физические механизмы различных биологических процессов. Это утверждение справедливо лишь отчасти, поскольку биология по своему существу изучает лишь сами живые системы, а биофизика привносит в науку глубокое понимание общих физических основ формирования живых систем. Известные определения «живого» обычно сводятся к перечислению важнейших биологических признаков (типа клеточного строения, размножения и естественного отбора), к констатации универсальности химического разнообразия живой природы, к упоминанию некоторых общих физических характеристик (типа неравновесности, нелинейности и др.).

Попробуем дать более общее определение живого, иначе говоря, предмета науки, которым занимается сквозным образом единственно биофизика: живое можно охарактеризовать как системную совокупность физических принципов, реализуемых универсальным химическим инструментарием и проявляющуюся в единстве биологических структур и функций, способных к устойчивой эволюции. Поэтому, как раздел биологии биофизика изучает физические аспекты строения и механизмы процессов в живых системах, а как направление физики биофизика раскрывает фундаментальные принципы возникновения, структурной системности и устойчивого развития живых систем.

Поэтому достаточно несостоятельным представляется определение NASA, выработанное в 1994 году и применяющееся в задачах поиска жизни во Вселенной, «жизнь — самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции». Жизнь – совсем не химическая система в своей основе (!), а механизмы устойчивой эволюции вполне могут быть отличны от дарвиновской модели.

В этом отношении куда более адекватными представляются определения биофизиков М.В.Волькенштейна – «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот», и Л.А.Блюменфельда – «назовем живыми самовоспроизводящиеся системы, которые способны создавать информацию при взаимодействии с окружающей средой», а также математика А.А.Ляпунова -  «жизнь — это «высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул». Существенно, что все эти определения жизни, по существу, идут от биофизического комплекса представлений о предмете жизни.

До начала 19 века биологии как отдельной науки вообще не существовало, а все науки о живом входили в предмет интересов физики. Формальное разделение наук о живом и неживом произошло относительно недавно, а сам термин «биология» был предложен всего 200 с небольшим лет назад - в 1802 году независимо и одновременно Жаном Батистом Ламарком (1744-1829), французским естествоиспытателем, эволюционистом, великим предшественником великого Чарльза Дарвина (1809-1882), и немецким естествоиспытателем, анатомом и физиологом, Готфридом Рейнхольдом Тревиранусом (1776-1837). Для биологии концентрация наук о живом оказалась плодотворной: завершилась систематизация видов, появилось дарвиновское эволюционное учение, физиология и цитология сформировались как системные разделы науки.

Вместе с тем, науки о живом всегда были естественным образом вплетены в развитие физики. Ученый мир всегда стремился добраться до основ биологических явлений. Достаточно упомянуть всего лишь несколько имен выдающихся физиков, которые закладывали физический фундамент биофизики и биологии: Рене Декарт (1596 - 1650), Антони ван Левенгук (1632 - 1723), Роберт Гук (1635 - 1703), Исаак Ньютон (1643 - 1727), Леонард Эйлер (1707 - 1783), Даниил Бернулли (1700-1782), Пьер Симон Лаплас (1749 - 1827), Луиджи Гальвани (1737 - 1798), Алессандро Вольта (1745 - 1827), Томас Юнг (1773 - 1829),  Юлиус Роберт Майер (1814 - 1878). Альберт Эйнштейн (1879-1955), Нильс Бор (1885-1962), Эрвин Шредингер (1887-1961). И многие-многие другие. Однако, основателем и корифеем современной биофизики, все-таки, следует считать Германа Людвига Фердинанда фон Гельмгольца (1821-1894), выпускника Военно-медицинской академии в Берлине, ставшего выдающимся физиком.

Заметим, что не успели биология и физика размежеваться, как вышла в свет книга «Грамматика науки», написанная английским математиком Карлом Пирсоном (1857 - 1935) в которой тот дал одно из первых определений биофизики (в 1892 году): «Уже теперь представляется несомненным, что некоторые обобщения физики - в особенности великий принцип сохранения энергии – описывают…часть нашего чувственного опыта относительно жизненных форм. Нужна ... отрасль науки, имеющая своей задачей приложение законов неорганических явлений, физики к развитию органических форм. ...Факты биологии - морфологии, эмбриологии и физиологии - образуют частные случаи приложения общих физических законов. ...Лучше было бы назвать ее биофизикой. ...Ей принадлежит крупное будущее». Эта книга дала первое определение биофизики и принесла Пирсону такой же успех, как и его кривые распределения случайных величин.

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. Здесь необходимо вспомнить выдающийся вклад Эрвина Шрёдингера в биологию связан с его книгой «Что такое жизнь?» (1944), основанной на лекциях, которые были прочитаны в дублинском Тринити-колледже  в феврале 1943 года. Эти лекции и книга были созданы под впечатлением от статьи Н.В.Тимофеева-Ресовского, Карла Циммера и Макса Дельбрюка опубликованной в1935 году и переданной Шрёдингеру Паулем Эвальдом в начале 1940-х годов. Статья была посвящена изучению генетических мутаций, которые возникают под действием рентгеновского и гамма-излучений и для объяснения которых авторами была развита теория мишеней. Хотя в то время ещё не была известна природа генной наследственности, взгляд на проблему мутагенеза с точки зрения атомной физики позволил выявить некоторые общие закономерности этого процесса. Работа Тимофеева—Циммера—Дельбрюка была положена Шрёдингером в основу его книги, которая привлекла широкое внимание физиков, а затем и биологов. Некоторые из них (например, Морис Уилкинс - английский физик и молекулярный биолог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года (совместно с биологом Джеймсом Уотсоном и физиком Фрэнсисом Криком)) под её влиянием решили заняться молекулярной биологией/биофизикой. Крик также известен тем, что сформулировал «центральную догму молекулярной биологии»: генетическая информация передается в клетке в одну сторону, от ДНК к РНК, а затем к белку.

Уже 1954 году, через год после открытия двуспиральной структуры молекул ДНК, другой физик Георгий Гамов Гамов понял, что структура белков, состоящих из 20 аминокислот, должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК. Он предположил и рассчитал, что кодоны должны состоять из трёх нуклеотидов, чтобы кодонов хватило для всех 20 аминокислот (всего же возможно 64 различных кодона из трёх нуклеотидов: на каждую из трёх позиций можно поставить один из четырёх нуклеотидов). Таким образом, он был первым, кто предположил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов. Совершенно иная ситуация в отношении возникающей молекулярной биологии складывалась в те годы в СССР. Но и в нашей стране физики сыграли выдающуюся роль в области развития биологии.

 

О российской биофизике

Необходимо сказать о наших соотечественниках, которых за труды и идеи следовало бы считать физиками-биофизиками. И, как не трудно догадаться, первым среди них был наш Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765). Будучи последователем Ньютона и приверженцем его представлений о роли эфира в физических и физиологических процессах, он попытался детализировать описание нервного импульса, рецепции и зрения на основе механической модели эфира. В «Слове о происхождении света» он описывает механическую модель эфира, состоящую из малых сфер, имеющих на своей поверхности зубцы, плотно сцепляющие соседние сферы при поворотах и вращении. При этом на движение этих эфирных частиц могут оказывать влияние молекулы различных веществ. «Вообразив сие основание, - пишет Ломоносов - ясно себе представить можете всех чувств действия и других чудных явлений и перемен в натуре бывающих. Жизненные соки в нервах таковым движением возвещают в голову бывающие на концах их перемены, сцепляясь с прикасающимися им внешних тел частицами. Сие происходит нечувствительным временем, для беспрерывного совмещения частиц по всему нерву от конца до самого мозгу. Ибо по механическим законам известно, что многие тысячи таких шаровых колес, когда они стоят в совместном сцеплении, беспрерывно должны с одним повернутым внешнею силою вертеться, с остановленным остановиться и с ним купно умножить или умалять скорость движения. Таким образом, кислая материя, в нервах языка содержащаяся, с положенными на язык кислыми частицами сцепляется, перемену движения производит и в мозге оную представляет. Таким способом рождается обоняние». Конечно, с позиций современного знания приведенное высказывание выглядит архаичным. Тем не менее, даже при отсутствии «достаточного запаса опытов», в нем угадываются глубоко осмысленные, пусть интуитивные, представления о фундаментальных свойствах возбудимых биологических систем - циклических процессах, активных средах, автоволновых процессах и т.д.

Российская биофизика формировалась в среде выдающихся русских ученых-естествоиспытателей конца девятнадцатого, начала двадцатого века - физиков, биологов, медиков, тесно связанных с Московским университетом. Среди них были Н.К.Кольцов, В.И.Вернадский, П.Н.Лебедев, И.И.Мечников, П.П.Лазарев, позднее - С.И.Вавилов, А.Л.Чижевский, Н.В.Тимофеев–Ресовский и многие другие.

Удивительна связь путей научных идей и людских судеб. Николай Константинович Кольцов (1872-1940) выдвинул гипотезу, что признаки, передаваемые по наследству, определяются линейным расположением мономеров в полимерных молекулах, размножающихся по принципу матриц (!). Эта основополагающая идея так бы и была не замечена, если бы не работы его ученика Н.В.Тимофеева–Ресовского (1900-1981), выдающийся биолог и биофизик. Вместе с физиком-теоретиком Максом Дельбрюком в Германии он начал экспериментальные исследования идеи Кольцова – определения частоты мутаций у дрозофил в зависимости от радиоактивного излучения. Он экспериментально определил размер генома в клетке – его «эффективное сечение захвата». Под влиянием Тимофеева–Ресовского Дельбрюк заинтересовался генетикой фагов. После эмиграции Дельбрюка в США в аспирантуру к нему поступил орнитолог Джеймс Уотсон (1928), который, как мы уже упоминали, вместе с английским биофизиком и генетиком Френсисом Криком (1916) и Морисом Уилкинсом (1916), английским биофизиком, в 1953 году создали пространственную модель ДНК – двойную спираль, а в 1962 году получили за эту работу Нобелевскую премию. А истоки идеи матричного синтеза пришли к ним через Дельбрюка и Шредингера от Кольцова и Тимофеева-Ресовского. В конце жизни Николай Владимирович несколько лет преподавал молекулярную биологию биофизикам на физическом факультете на кафедре биофизики.

«Биологическая» биофизика в России естественным образом брала начало от наших славных зоологов, физиологов, медиков, ботаников. Это известно и неоднократно описано. Сейчас о том, как отечественная «физическая» биофизика создавалась физиками Московского университета. В физической лаборатории, руководимой Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912), создателем русской экспериментальной физической школы, в начальные годы 20-го столетия проходили семинары, посвященные проблемам фотосинтеза. В их организации и проведении участвовал профессор Московского университета, выдающийся физиолог растений и популяризатор эволюционного учения Климент Аркадьевич Тимирязев (1843 – 1920). Лебедевы и Тимирязевы дружили семьями. Сейчас предмет семинарских обсуждений назывался бы биофизикой фотосинтеза. Обсуждался, в частности, и вопрос относительно зависимости эффективности фотосинтеза от интенсивности и длины волны света. Напомним, что тогда ещё не существовало теории относительно энергии светового кванта. Именно с этим вопросом обращался к Тимирязеву тогда ещё студент медицинского факультета Петр Петрович Лазарев (1878 - 1942), впоследствии ученик и соратник Лебедева. В 1901 году Лазарев окончил медицинский факультет Московского университета. Позднее он сдал полный курс физики и математики и работал в лаборатории Лебедева. В 1912 году Лазарев по представлению своего учителя возглавил его лабораторию. В 1917 году он был избран первым в России академиком-биофизиком по представлению выдающегося физиолога, Нобелевского лауреата Ивана Петровича Павлова (1849 - 1936). Им же в 1922 году был прочитан первый в России лекционный курс под названием «Биофизика» для врачей при клинике Московского университета. Фото Лебедев + Лазарев

С 1920 по 1931 год П.П.Лазарев возглавлял созданный по его инициативе и утвержденный специальным декретом Председателя Совнаркома В.И.Ульянова-Ленина Государственный институт биофизики. Лазарев также являлся основоположником медицинской рентгенологии: в его институте имелась первая и единственная работавшая рентгеновская установка, на которой сделали рентгеновский снимок Ленина после покушения на него в 1918 году. Однако институт биофизики и физики был ликвидирован после ареста Лазарева в 1931 году, а в 1934 году на его основе был сформирован ФИАН имени Лебедева.

И всё же, выскажу своё личное мнение, что наиболее выдающимся, мудрым и, странным образом, недооцененным в нашей области знания ученым был Николай Алексеевич Умов (1846-1915). Вместе с Лебедевым он принимал деятельное участие в составлении проекта и организации Физического института при университете, преподавал физику студентам-медикам, был Президентом Московского общества испытателей природы (1897—1915). После смерти А.Г.Столетова в 1896 он возглавил кафедру физики. Фото Умов

Исторически и по неразумению руководителей науки биофизику относят к биологии. По существу же, биофизика, как мы уже отмечали, по предмету изучения и по методам, значительно шире, чем биология: это наука о живых и сопряженных неживых системах, определяющая через физические закономерности возможности, границы и механизмы возникновения и функционирования живых систем. Это – база наук о живом, где принципы – физические, инструментарий – химический (биохимический), а функции – биологические. Так и Н.А.Умов, выдающийся мыслитель, впервые сформулировавший закон сохранения энергии в дифференциальной форме, воспринимал физику как базу наук о живом. Предвосхитив мысли не читавших его трудов создателей термодинамики открытых систем, синергетики, а также многих современных отечественных биофизиков, он языком современной тогда ему науки формулировал «что есть жизнь с точки зрения физики». Он содержательно обсуждал концепцию открытых термодинамических систем и физических машин в живых системах. Чего стоит его яркое образное высказывание: «Живую материю можно уподобить горящей лампе, которая сама добывает сжигаемое масло»!

С середины двадцатых годов до послевоенного времени физики Московского университета системно живой природой не занимались. Но и здесь необходимо вспомнить Сергея Ивановича Вавилова (1891-1951), брата Николая Ивановича Вавилова (1887-1943), выдающегося биолога, генетика, физиолога растений и географа, президента ВАСХНИЛ (1929) и непримиримого врага Т.Д.Лысенко (1898-1876). Лазарев был научным руководителем Вавилова. В Институте физики и биофизики Вавилов исследовал квантовую природу света при отсутствии приборов для регистрации сверхнизкой интенсивности света. Тогда Лазарев, занимавшийся биофизикой рецепторов и проводивший спектральные исследования чувствительности глаза, предлагает использовать для опытов человеческий глаз – на тот момент наиболее чувствительный физический прибор. В 1932 году вместе со своим аспирантом Павлом Александровичем Черенковым (1904) он открывает излучение, возникающее при движении в веществе заряженных частиц со скоростями, превышающими фазовую скорость света в данном веществе (Нобелевская премия за это открытие в 1958 году была получена И.Е.Таммом, И.М.Франком и П.А.Черенковым).

 

 

К истории создания кафедры биофизики на физфаке МГУ

Для науки пятидесятых годов актуальной 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. Теперь мало известно и частью забыто, что именно физика и физики сыграли решающую политическую роль в возрождении современной биологии на переломном этапе истории нашей страны в середине прошлого столетия. И с этой ситуацией как раз и связано создание кафедры биофизики на физфаке.

Начиная с 30-х годов, в 40-е годы и позже, в 50-е при Н.С.Хрущеве, доминирующим направлением в биологии, науке и образовании, стала лысенковщина, поддержанная властью и полностью отрицавшая генетику и связанные с ней основы эволюционного учения. Это явление было частью идеологического наступления на «буржуазные, идеалистические» направления в науке. В частности, это серьёзным образом коснулось и набиравшей силу кибернетики. Насаждение псевдонаучных взглядов академика Т.Д.Лысенко, а также его, реально, вредоносная деятельность привели после печально известной сессии ВАСХНИЛ 1948 года к прямым репрессиям среди генетиков, разгрому а в 40-е и 50-е годы практически всех передовых биологических и сельскохозяйственных лабораторий, что критическим образом и на долгие годы затормозило развитие современной биологии в СССР. А происходило это в то время, когда уже с 1953 года (!) были уже известны структура ДНК и общий смысл генетического кода. Ученые неоднократно обращались с письмами к руководству страны о недопустимости подобного положения в биологической науке, но безрезультатно. Тогда группа передовых биологов стала в инициативном порядке готовить обращение к руководству страны. Но главной силой, решительно вставшей против лысенковщины, стали десятки ведущих физиков, в том числе большая группа выдающихся академиков, работавших на физфаке.

Дело в том, что идеологизированные представители марксистской философии начинали наступление и на «идеалистические корни» квантовой механики, т.е. на фундаментальные основы физики. Активные нападки начинались и на новейшие направления квантовой химии. В 1955 году было подготовлено письмо-обращение в ЦК КПСС, которое подписали около 300 ученых, среди которых значительное большинство составляли физики. Можно назвать имена некоторых наших выдающихся ученых, поднявших свой голос в защиту отечественной науки: Л.Д. Ландау, И.Е. Тамм, М.В. Келдыш, Г.С. Ландсберг, А.И. Фрумкин, П.Л. Капица, А.И. Алиханов, Ю.Б. Харитон, М.А. Леонтович, М.А. Арцимович, А.Н. Тихонов, М.А. Лаврентьев, С.Л. Соболев, С.А. Христианович; В.Л. Гинзбург, Я.Б. Зельдович, М.А. Марков, А.И. Алиханьян, И.Я. Померанчук, А.И. Шальников, А.Б. Мигдал, Г.Н. Флёров и многие другие.

Н.С.Хрущев был крайне разгневан этой нерегламентированной инициативой, но понемногу стал сдерживать и отодвигать Лысенко. И именно в тот момент именно физики создали несколько научных центров, где поднялись ростки современной молекулярной биологии: на Урале в Миассово, в Москве в Курчатовском центре, в Обнинске. Биологический факультет МГУ был в это время под существенным влиянием сторонников Т.Д.Лысенко, а стране требовалось создание независимого образовательного подразделения в смежных областях биологии и физики. Два Нобелевских лауреата академики И.Е.Тамм и Н.Н.Семенов в 1959 году обратились к ректору МГУ математику И.Г.Петровскому с предложением создать кафедру биофизики на физическом факультете, первую в мире кафедру биофизиков у физиков, а не у биологов. На биологическом факультете такую кафедру только что создали, ориентируя её на медико-биологические и отчасти космические направления.

И.Г.Петровский и декан физического факультета В.С.Фурсов поддержали инициативу и в ноябре 1959 года была создана сначала специализация, а следом и кафедра биофизики. Руководить кафедрой по предложению академиков предложили физико-химику Л.А.Блюменфельду, а в качестве преподавателей пригласили биохимика С.Э.Шноля и физиолога И.А.Корниенко. Надо отметить очень важное обстоятельство, связанное с созданием кафедры: на физическом факультете среди студентов тогда же возникла встречная инициатива по созданию физической специализации «биофизика». Они же и стали первыми студентами и аспирантами кафедры, частью перейдя сюда с других направлений.

Л.А.Блюменфельд (1921 – 2002) является реальным создателем кафедры биофизики, возглавлявшим ее в течение 30 лет. Л.А.Блюменфельд – участник Великой отечественной войны. После окончания химического факультета МГУ учился в аспирантуре Физико-химического Института им. Карпова. На кафедре биофизики он многие годы читал курсы лекций «Физическая химия», «Квантовая химия и строение молекул», «Избранные главы биофизики». Л.А.Блюменфельд – ученый с мировым именем, автор более 200 работ, 6 монографий. Его небольшая книга-завещание «Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики» до наших дней является одним из самых ярких научных трудов, определивших движение российской биофизики в 21-ом веке.

Его исследования были связаны с методами радиоспектроскопии (им был создан первый в стране ЭПР-спектрометр для биологических исследований), его интересы охватывали широкий круг вопросов: от проблем термодинамики, теории информации в биологии до изучения механизмов ферментативного катализа, фотосинтеза и окислительного фосфорилирования. В 2001 году Л.А.Блюменфельд совместно с В.А.Твердисловым и А.Н.Тихоновым был удостоен Ломоносовской премии за научные исследования в области биологических энергопреобразующих молекулярных машин.

Научные интересы Л.А.Блюменфельда в значительной степени определили научные направления, представленные на кафедре биофизики физического факультета МГУ, - физические основы строения, функционирования и регуляции биологических систем на молекулярном, клеточном и т.д. уровнях, вплоть до биосферного. В подобном понимании биофизика, включающая математическое моделирование фундаментальных биологических процессов и синергетические подходы, на его взгляд, состоялась как теоретическая биология. Следует отметить, что в научных направлениях, развиваемых на кафедре биофизики и в работах ее выпускников, представлены практически все направления современной биофизики и биологии. В последние годы на кафедре успешно ведутся работы в области медицинской биофизики и нанобиотехнологий.

Более полувека существования кафедры курсы лекций по биохимии и истории биологии читал доктор биологических наук профессор С.Э.Шноль (1930 – 2021), окончивший в 1951 году Московский университет по кафедре биохимии животных (в последние годы их читает профессор М.А.Пантелеев). Совместно с коллегами С.Э.Шноль в течение десятилетий изучал колебательные процессы и космофизические эффекты в биологических и физико-химических системах, изотопные эффекты в биологических системах, разрабатывает новые подходы в теории биологической эволюции. Он - автор более чем 200 работ, в том числе 4 книг. С.Э.Шноль – выдающийся популяризатор науки, блестящий рассказчик, остроумнейший и эрудированный дискутант. Его многократно переиздававшаяся книга «Герои, злодеи и конформисты российской науки» является одним из шедевров научно-исторического исследования. Именем С.Э.Шноля названа малая планета Солнечной системы.

С.Э.Шноль обладал удивительной интуицией в науках, также определившей на многие десятилетия научные направления кафедры биофизики. Именно он привнёс на кафедру идеи изотопии в биологии и эволюции, идеи слабых воздействий и малых концентраций, осознание физико-химических принципов естественного отбора и эволюции, идеи биологических часов и колебательных процессов в живых системах, понятия автоволновой самоорганизации в биологии через возрождённую им реакцию Белоусова-Жабатинского, нераскрытые пониманием до сих пор идеи относительно роли космофизических факторов в развитии Вселеннй, в том числе живой материи. 

Вскоре после её создания на кафедру биофизики перешли работать с кафедры физики колебаний два замечательных радиофизика – Г.Н.Берестовский (1929—2010) и А.Н.Заикин (1934-2019). Оба они на протяжении многих лет занимались проблемами возбудимых сред, вопросами теоретического и экспериментального изучения волновых процессов в мембранах растительных и животных клеток (Берестовский) и динамики автоволновой самоорганизации в химических средах, в морских нейстонных и почвенных популяциях микроорганизмов (Заикин). В 1964 году Г.Н.Берестовский и А.Н.Заикин переехали работать в Пущино вместе с С.Э.Шнолем в институт Биофизики, где успешно работали в течение многих лет. Следует добрым словом вспомнить и других сотрудников первых лет кафедры: лаборанта Е.В.Денисенко, лаборанта Н.А.Смирнову, мастера С.Н.Чернова, инженера А.П.Репкина, техника В.Н.Леонову. Несколько позже пришел работать на кафедру мастером Г.А.Денисенко. Эти интеллигентные, самоотверженные, дружелюбные люди составили основу тогдашней экспериментальной жизни кафедры и в значительной степени сформировали её традиционную доброжелательную атмосферу.

В первые же годы из сферы атомной физики пришла работать на кафедру Г.Н.Зацепина, многие годы развивавшая направление, связанное с биофизикой водных систем. Галина Николаевна была прекрасным ученым и педагогом, человеком ярким и творческим. Ею, совместно с С.В.Тульским (бессменным, после ухода И.А.Корниенко, заместителем заведующего кафедрой профессора Л.А.Блюменфельда) были разработаны биофизические принципы создания терапевтических приборов, способствующих регенерации костных тканей с помощью низкочастотных электромагнитных полей.

Первыми аспирантами специализации биофизики стали выпускники других кафедр физического факультета С.В.Тульский, И.Г.Харитоненков, Э.К.Рууге и годом спустя – биофизик А.Ф.Ванин. На их долю выпала масса работы по оборудованию кафедры, работа и защиты задерживались. Ими даже был основан «Тайный союз незещитившихся аспирантов Блюменфельда». Тем не менее, с задержкой примерно на 3 года, все они успешно защитили кандидатские диссертации и впоследствии блестяще проявили себя в науке. Впоследствии И.Г.Харитоненков выполнил ряд замечательных работ в области вирусологии, А.Ф.Ванин впервые начал систематическое изучение физико-химических характеристик нитрозильных комплексов железа и биофизических аспектов воздействия этих метаболитов оксида азота на живые системы. В результате многолетних исследований им доказано, что динитрозильные комплексы железа с тиольными лигандами играют значительную роль в функционировании оксида азота в организме как в норме, так и при патогенезе многих заболеваний. Успешно развивает это направление исследований и в настоящее время. Э.К.Рууге – профессор кафедры биофизики.

Выпускник кафедры биофизики А.М.Жаботинский (1938-2008), будучи аспирантом, по предложению профессора С.Э.Шноля в 1961 году приступил к изучению механизмов цветной периодической реакции, открытой химиком Б.П.Белоусовым в 1951 году и получившей впоследствии всемирную известность под названием «реакция Белоусова-Жаботинского». Выпускники кафедры В.А.Вавилин и М.Д.Корзухин, а также А.Н.Заикин приняли самое активное в проведении экспериментального и теоретического исследования реакции. Что чрезвычайно существенно, были изучены точечный колебательный и пространственно-распределенный автоволновой режимы. Несмотря на то, что к тому времени были известны некоторые колебательные процессы, особенно в гетерогенных системах, именно эта реакция стала базовой демонстрационной системой в нарождавшейся тогда науке о самоорганизации – синергетике. За это выдающееся исследование в 1980 году А.М.Жаботинскому и А.Н.Заикину совместно с их коллегами Г.Р.Иваницким и В.И.Кринским была присуждена Ленинская премия – высшая научная награда в СССР.

В 1962 году в аспирантуру кафедры поступил её выпускник А.К.Кукушкин, целеустремленный и широко образованный биофизик. Прошел путь от научного сотрудника до профессора. Им была детально исследована взаимосвязь первичных процессов фотосинтеза с транспортом и запасанием продуктов фиксации СО₂, показана важная роль неорганического фосфата для регуляции метаболизма углерода. Им были рассчитаны квантовые характеристики компонент системы пластохинон-гистидин, моделирующей начальный этап сопряжения переноса электрона и протона, получены энергетические уровни и волновые функции протона в этой системе для различных состояний восстановления пластохинона. На основании результатов расчета высказана гипотеза о молекулярном механизме сопряжения протонного и электронного транспорта в реакционном центре фотосистемы II высших растений и хроматофорах бактерий. Ушел из жизни в 2015 году.

Многие годы рядом с ним работал старший научный сотрудник М.К.Солнцев, удивительно светлый, доброжелательный и надежный человек (скончался в 2011 году.). Он исследовал первичные процессы фотосинтеза люминесцентными методами, влияние ряда физико-химических факторов (гербицидов, фунгицидов, стимуляторов роста, антиоксидантов, тяжелых металлов, газового состава окружающей среды и др.) на процессы запасания и трансформации энергии зелеными растениями. Им было проведено сравнительное исследование люминесцентных и физиолого-биохимических показателей здоровых и заражённых растений, обработанных регуляторами роста, антиоксидантами и фунгицидами, установлена взаимосвязь этих показателей с фотосинтезом.

В 1989 году заведующим кафедрой стал заслуженный профессор МГУ доктор физ.-мат. наук В.А.Твердислов, зачисленный в её штат лаборантом в феврале 1964 года. Многие годы его научные интересы были связаны с биофизикой мембран, изучением роли неорганических ионов в биологических системах, механизмов их переноса через клеточные и модельные мембраны с помощью ионных насосов. Им была предложена и совместно с профессором Л.В.Яковенко экспериментально разработана модель параметрического разделения жидких смесей в периодических полях в гетерогенных системах и вошедшая в учебники модель натриевого насоса клеточных мембран.

 С первых лет существования кафедры на ней работает выпускница кафедры Т.А.Преображенская, несгибаемая и доброжелательнейшая опора организационной и учебной жизни кафедры. Все годы ведет основополагающие задачи биофизического спецпрактикума. С марта 1967 года был зачислен инженером выпускник кафедры В.И.Лобышев. Более полувека читает уникальный курс «Физика биомакромолекул» Н.Г.Есипова. Это о первых сотрудниках. В последние годы лекции по биоинформатике читает М.С.Попцова, лекции по молекулярному моделированию – М.А.Мазо, лекции по микробиологии – Е.А.Генералов.

Об основных современных направлениях научных исследований на кафедре биофизики рассказано в следующем разделе.

 

Школа биофизики

За 60 лет существования кафедра подготовила около 1000 биофизиков. Сложилась признанная в мировом научном сообществе учебная (бакалавриат+магистратура / специалитет) и научная школа биофизики. На уровне высших мировых стандартов студентам-физикам в течение 4-х лет в дополнение к физике и математике системно и полно преподаются курсы биологии и физиологии, общей химии, физической и квантовой химии, биохимии, молекулярной биологии, микробиологии, физики биомакромолекул, биоэнергетики, биоинформатики, биофизики макросистем и экологии, методов математического моделирования, системной биофизики, биомеханики, экспериментальных методов в биофизике, медицинской биофизики и многие другие. Все годы сотрудники биологического факультета терпеливо учат наших физиков основам биологии. На Беломорской биологической станции МГУ после окончания 3-го курса студенты-физики проходят полноценную биологическую практику. Выпускники кафедры получают глубокое, поистине университетское, всестороннее образование в области физики, биофизики, физико-химической биологии.

В научном отношении кафедра биофизики представляет собой разносторонне направленное научное учреждение, осуществляющее плодотворное сотрудничество со многими академическими и медицинскими учреждениями. Принципиальной особенностью кафедры как научной школы является традиционное сочетание разработки глубоких фундаментальных проблем происхождения, формирования и развития живых систем и изучения важнейших структур, процессов и функций живой материи на всех уровнях её организации – от молекулярного до биосферного. Значительными достижениями кафедры можно считать разработку механизмов автоволновой самоорганизации в активных химических и биологических средах, физических механизмов фотосинтеза, теории молекулярных биологических машин, биофизических основ функционирования цитоскелета клеток и систем свертывания крови. Известны работы в области нанобиотехнологий.

Развитие физических идей в концепции биологических машин, высказанной Н.А.Умовым в начале 20-го столетия, в России уже в 60-е годы было связано с появлением известной статьи С.Э.Шноля, У.И.Хургина и Д.С.Чернавского [1]. Наиболее глубоко эти идеи были развиты Л.А.Блюменфельдом в ряде статей и монографий [2]. Начиная с 40-х годов, стало ясно, что преобразование энергии в фотосинтетических системах и в системах окислительного фосфорилирования митохондрий основано на работе мембранных молекулярных машин. Как раз этими проблемами с тех пор занимаются ученики профессора Л.А.Блюменфельда профессора Э.К.Рууге и А.Н.Тихонов, базируя свои экспериментальные работы на методах магнитной спектроскопии, в частности, ЭПР.

Э.К.Рууге детально изучено участие свободно-радикальных центров и парамагнитных металлокомплексов в процессах энергетического метаболизма в клетках сердечной мышцы при гипоксии и реоксигенации. Им показано, что защитное действие природных хиноидных соединений и полифенолов, а также нитрозильных комплексов железа против активных форм кислорода и азота обусловлено антиоксидантными свойствами этих соединений. Физиологически наиболее значимые метаболиты оксида азота - динитрозильные комплексы железа - проявляют свое защитное действие на клетки сердечно-сосудистой системы как антиоксиданты при разных значениях парциального давления кислорода, включая условия глубокой гипоксии, характерные для острой сердечной недостаточности [3, 4].

А.Н.Тихонов, выпускник кафедры, работающий на ней после окончания аспирантуры с 1975 года, успешно исследовал ключевые факторы регуляции фотосинтетического транспорта электронов и протонов, сопряженного с синтезом АТФ в хлоропластах растений. Применительно к системе предложена и развита концепция «белок-машина»: теоретически обоснованы и экспериментально обоснованы представления о физических механизмах функционирования белков и белковых комплексов как макромолекулярных машин, обеспечивающих преобразование и запасание энергии в энергопреобразующих органеллах живой клетки (хлоропласты, митохондрии) [5].

Научные проблемы, которыми занимаются сотрудники кафедры биофизики, чрезвычайно разнообразны, но объединены общими представлениями о системном единстве физических подходов к изучению различных биологических проблем, идеями самоорганизации. Многие годы профессор Л.В.Яковенко, выпускник кафедры, совместно с В.А.Твердисловым изучает проблему возникновения предшественников живых клеток на Земле в ходе начальных стадий биопоэза [6]. Ими развиты основные положения гипотезы о происхождении предшественников клеток в ходе предбиологической эволюции на границе раздела океан–атмосфера. Показано, что неравновесная поверхность Мирового океана обладает физико-химическими свойствами, обеспечивающими ионную асимметрию, фракционирование энантиомеров аминокислот, нуклеиновых оснований и формирование замкнутых везикул, т.е. условия, необходимые для самопроизвольного возникновения предшественников клеток. В подходе к решению данной проблемы также продуктивными оказались представления об автоволновой самоорганизации [7].

Фракционирование физиологически важных ионов в неживых неравновесных и нелинейных системах сменилось в ходе биологической эволюции появлением и работой мембранных молекулярных машин – ионных насосов. Л.В.Яковенко предложена физическая модель функционирования Na-насоса клеточных мембран. Основная идея состоит в том, что фермент представляет собой два ионных канала, работающих сопряженно: высоты трех потенциальных барьеров внутри каналов для ионов каждого типа (натрия и калия) изменяются синхронно, при этом в одном из состояний системы возможен внутренний обмен ионами между каналами. Этот наиболее общий подход к описанию активного транспорта ионов в мембранах вошел в ряд учебников по биофизике [8].

Физические идеи «машинности» и автоволновой самоорганизации в биологических системах нашли своё яркое воплощение в работах другого выпускника кафедры, ныне её профессора. Ф.И.Атауллахановым и его коллегами было показано, что распространение фронта свертывания подчиняется тем же законам, что и распространение нервного импульса или фронта горения. Кровь - активная среда нового типа. Существенное отличие системы свертывания крови – она умеет останавливать распространение таких волн. Это открытие привело к формированию новых представлений о том, как протекает процесс свертывания. Оказалось, что за разные фазы процесса формирования сгустка (активацию, распространение, остановку) отвечают разные метаболические блоки реакций. Были предсказаны новые реакции, играющие ключевую роль в финальной фазе формирования сгустка – его остановке [9]. Исследования свертывания крови фактически привели к возникновению нового раздела теории «активных сред» и синергетики.

Микротрубочка – молекулярный мотор цитоскелета. Под руководством Ф.И.Атауллаханова создана модель микротрубочки, позволившая теоретически рассчитать силы, развиваемые деполимеризующейся микротрубочкой. Оказалось, что эти силы настолько велики, что могут полностью обеспечить движение хромосом в митозе без участия молекулярных моторов. Проведенные эксперименты подтвердили предсказания модели. В сотрудничестве с коллегами из США, Ф.И.Атауллахановым и Н.Б.Гудимчуком в последние годы был обнаружен и теоретически обоснован новый механизм полимеризации микротрубочек, реализующийся путем смыкания изогнутых протофиламентов на растущем конце. Поведение ансамбля таких необычных механо-химических преобразователей в процессе формирования и развития веретена деления, видимо, приводит к необычным механизмам самоорганизации, которые являются в настоящее время предметом исследований [10].

С первых дней существования кафедры фундаментальные проблемы строения воды и водных растворов, в частности их взаимодействия с биологическими структурами, а также изотопных эффектов, занимали одно из центральных мест. Профессор В.И.Лобышев как раз и является двигателем этого направления, и именно ему в значительной степени принадлежит обретающая силу принципиальная концепция о долговременных неравновесных состояниях воды и водных растворах, имеющая прямое отношение к вопросам слабых воздействий и малых концентраций. В.И.Лобышевым на различных биологических объектах обнаружено аномальное активирующее влияние небольших вариаций концентраций дейтерия относительно его природного содержания, в том числе в регенерации гидроидов, что может быть полезно для медицины. Показано, что вода, специфически связанная с биополимерами, стабилизирует белки и липидные мембраны. Он также продемонстрировал образование мезоструктур в сильно разбавленных водных растворах, проявляющееся, в частности, в появлении фотолюминесценции растворов веществ, не обладающих собственной флуоресценцией. Интенсивность свечения не подчиняется закону С.И. Вавилова и является немонотонной функцией концентрации растворов. Область возбуждения излучения оценена в 100 нм. Наблюдается длительная эволюция спектров фотолюминесценции таких растворов, и в неравновесном состоянии высокая чувствительность к слабым внешним электромагнитным полям. Эти наблюдения радикально изменяют наши представления о разбавленных растворах и служат обоснованием нового направления – водные разбавленные растворы как самоорганизующаяся система [11].

Достаточно долгая история кафедры биофизики позволяет проследить тренды и бифуркации в развитии самой биофизики в российской и мировой науке. Спустя много лет на новой методологической основе всплывают исследования, посвященные решению проблем, активно обсуждавшихся на семинарах кафедры в 60-е и 70-е годы. В частности, речь идет о математико-биофизических подходах к изучению биологической эволюции в самом широком крупномасштабном плане. В дискуссиях участвовали Н.В.Тимофеев-Ресовский, Н.Н.Воронцов, Л.А.Блюменфельд, С.Э.Шноль, Н.А.Ляпунова, включавшийся в проблему талантливейший Саша Базыкин и его однокурсник А.А.Замятнин, позднее в Пущино - Е.Е.Сельков.

Проблемы и подходы обретают новое видение. И вот А.Э. Сидоровой на кафедре развивается концепция, согласно которой активные среды составляют системную основу пространственно-временной самоорганизации на разных уровнях организации живой материи – от макромолекулярного до биосферного и антропосферного. На базе данного общеметодологического принципа, объединяющего процессы автоволновой самоорганизации, были получены следующие результаты. Построены: биофизическая и математическая модели эволюции биосферы как иерархии сопряженных активных сред; модель фиксации мутаций в пространстве перколяционной решетки отбора, учитывающая сопряжение детерминированных и случайных факторов; модели морфогенеза урбоэкосистем как автоволнового процесса самоорганизации (ошибка модели относительно реальных структур развития Москвы составляет 5-7%). На основе разработанной методики количественной оценки хиральности белков (адекватность подтверждена анализом 836 структур белков) построена трёхмерная автоволновая модель образования хиральных вторичных структур белков [12-14].

Тромбоциты являются центральным звеном системы гемостаза, которая отвечает за остановку кровотечения при ранениях и кровоизлияниях любой природы. Одна из интригующих загадок - почему тромбоциты при активации переходят в разные функциональные состояния? Тема гетерогенности тромбоцитов оказалась в центре внимания сотрудников кафедры с середины 2000-х годов, когда появились первые доказательства того, что есть, как минимум, две популяции активированных тромбоцитов с радикально разными свойствами. Научная группа, возглавляемая профессором М.А.Пантелеевым и А.Н.Свешниковой, активно участвовала в процессе идентификации этих двух субпопуляций и позднее выявила механизм агрегации, с помощью которого прокоагулянтные тромбоциты включаются в агрегаты и тромбы. Было установлено, что субпопуляций на самом деле может быть больше двух, были выявили основные сигнальные пути, ведущие к их формированию. В 2015 году ими была предложена теория формирования гетерогенности в ответе тромбоцитов, спустя год подтвержденная экспериментально. Исследователи установили механизм модуляции этого процесса через пуринорецепторы, выявили механизмы инактивации адгезионных рецепторов в субпопуляции сверх-активированных тромбоцитах, а также физиологический смысл двухрецепторной схемы активации тромбоцитов тромбином. В рамках этого направления была обнаружена активация контактного пути свертывания на прокоагулянтной субпопуляции тромбоцитов, неравномерность прокоагулянтной активности по поверхности этих клеток. На основании этого была разработана математическая модель их участия в свертывании крови [15-17].

Д.Ю.Нечипуренко предложен механохимический механизм, связывающий наблюдаемую специфичность расщепления ДНК ультразвуком с конформационной подвижностью дизоксирибозы в составе молекулы. Показано, что наблюдаемая специфичность расщепления ДНК ультразвуком является универсальным механическим свойством данной молекулы, которое проявляется во всех известных механических подходах к фрагментации двунитевых молекул ДНК [18]. В цикле исследований, посвященных механизмам свертывания крови, показано, что в процессе роста артериального тромба за счет механической активности тромбоцитов происходит перераспределение умирающих клеток на периферию тромба, что приводит к ярко выраженной гетерогенности его поверхностных слоёв [19].

Научная группа, возглавляемая А.В.Беляевым, работает над созданием оригинальной теории регуляции роста тромба в артериях и микрососудах. Созданная ими математическая модель впервые продемонстрировала особенности влияния гидродинамических сил, действующих на тромб и играющих решающую роль в микрососудах (артериолах и венулах). Показано, что размер области и форма повреждения стенки микрососуда влияют на динамику роста тромба и его конечный размер [20]. Согласно данным проведенного компьютерного моделирования, гидродинамические силы также оказывают регуляторное воздействие на клеточном и молекулярном масштабах [21]. Эти данные, а также сама математическая модель, уже используются медиками и инженерами для оценки рисков окклюзии (закупорки) сосудов тромбом в разветвленных системах кровеносных микрососудов.

В 2015 – 2018 г.г. сотрудники кафедры Симоненко Е.Ю., Яковенко С.А., Твердислов В.А. участвовали в качестве исполнителей в масштабном проекте МГУ «Научные основы создания национального банка-депозитария живых систем - Ковчег»,  поддерживаемым  РНФ, соглашение № 14-50-00029). Проект признан Ведущей научной школой МГУ. Это исследование послужило основанием для создания еще одного направления кафедры – криобиологии. За последние годы Симоненко Е.Ю и Яковенко С.А., совместно со студентами и аспирантами разработан принципиально новый системный подход к разработке криопротекторных сред для повышения эффективности криоконсервации культур клеток, основанный на анализе изменений термодинамических характеристик растворов на всех этапах их формирования, с учетом их влияния на целостность и жизнеспособность клеток [22, 23]. На основании разработанных дополнительных анализах клеточных структур, таких как: фрагментация ДНК, целостность мембран, группой предложен ряд модификаций протоколов криоконсервации клеток, позволяющих повысить их выживаемость после цикла заморозки-разморозки.

Разработка биофизических принципов создания функциональных наноструктур также является одним из важных научных направлений кафедры. Г.Б. Хомутов развивает исследования, связанные с разработкой эффективных подходов к созданию функциональных наноматериалов и наносистем с использованием биомиметических синтететических стратегий, основанных на принципах самосборки, самоорганизации и методах нанобиоинженерии. В частности, им разработаны методы получения, получены и исследованы биомиметические системы одноэлектронного туннельного транспорта на основе пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих встроенные в структуру пленки упорядоченные ансамбли белков (цитохром с), металлических нанокластеров и наночастиц [24, 25]. Разработаны новые биомиметические нанокомпозитные везикулы и капсулы, а также методы управления их структурно-функциональными характеристиками, которые могут являться фундаментальной основой новой технологической платформы и прототипом для создания новых эффективных биосовместимых средств капсулирования, адресной доставки и управляемого избирательного высвобождения различных веществ в водных средах, перспективных для био-медицинских и других социально-важных и специальных применений.

Профессор В.А.Караваев многие годы развивает экологические приложения фундаментальных исследований, связанных с фотосинтезом. Исследуется функциональная связь естественных и антропогенных физико-химических воздействий внешней среды на тонкие механизмы регуляции фотосинтеза высших растений [26, 27].

Благодаря работе научной группы, руководимой Е.А.Генераловым, были выделены и охарактеризованы различные полисахаридные молекулы, обладающие перспективными биологическими активностями: иммуномодулирующей, радиопротекторной, регенераторно-репараторной, адаптогенными и другими. Вместе с тем были получены результаты, свидетельствующие о наличие бифуркационных и метастабильных состояний в клетках, что может быть использовано для создания нового класса фармакологических веществ с разнонаправленными активностями [28].

Появляются веские основания считать, что, как и в физике, в биологии фундаментальное значение могут иметь базовые симметрийные факторы. В частности, именно они могут сопрягать и оптимизировать потоки превращений энергии, вещества и информации, переводя их из микроскопического уровня химии в макроскопический уровень макромолекулярных биологических машин. Так, В.А.Твердисловым выявлено и физически интерпретировано явление спонтанного формирования иерархических молекулярных структур, характеризующихся сменой знака хиральности в исходно гомохиральных молекулярных системах, а также сменой типа симметрии и увеличением масштаба. Явление обнаружено в информационно детерминированных, гомохиральных в своей основе, биологических макромолекулярных системах нуклеиновых кислот и белков, а также в искусственных полимерных и жидкокристаллических структурах. Хиральный дуализм служит физическим инструментом молекулярной биологии, позволяющим осуществлять фолдинг - формировать конструкции со стратифицированными уровнями внутри- и надмолекулярной организации, тогда как симметрийное ядро всей молекулярной биологии можно рассматривать как периодическую знакопеременную систему хиральных элементов. В публикациях описана фундаментальная закономерность смены знака хиральности в структурно-функциональной иерархии белков и нуклеиновых кислот [29, 30]. Для белковых структур эта закономерность L-D-L-D, для ДНК - D-L-D-L. Обосновывается гипотеза, согласно которой, базовый принцип специфичности межмолекулярных взаимодействий, основанный на представлениях о локальной комплементарности, должен быть дополнен представлениями о симметрийных, хирально детерминированных взаимодействиях макромолекул: локальная характеристика должна быть дополнена пространственной характеристикой молекулы, энтальпийная составляющая свободной энергии должна быть дополнена энтропийной составляющей, связанной с симметриями структур. Непосредственное участие в выполнении этой работы принимали Л.В.Яковенко, Е.В.Малышко, А.Э.Сидорова.

 

История, традиции и научные достижения кафедры биофизики, замечательные качества её сотрудников, студентов и аспирантов дают все основания верить в её дальнейшее успешное развитие.

 

 

 

П.П.Лазарев и П.Н.Лебедев

 

 

 

Н.А.Умов

 

Л.А.Блюменфельд

 

 

С.Э.Шноль