1.10. Определение, методология и проблемы биофизики

Биофизика, в отличие от биологии молодая наука, что проявляется в частности в том, что еще не существует ее общепринятого и устоявшегося определения.

Биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические явления в живых организмах, структуру и свойства биополимеров, влияние различных физических факторов на живые системы (Энциклопедический словарь).

Основной недостаток этого определения заключается в том, что используемые понятия слишком широки и, взятые без дополнительного ограничения, подразумевают отнесение к биофизике весьма далеких от нее областей знания.

Другое определение тоже трудно назвать удачным: “биофизика – наука, изучающая физические явления и свойства, важные для функционирования биологических систем, и использующая для этого комплекс экспериментальных и теоретических методов физики и физической химии” (Ю.П. Мешалкин). Остается открытым вопрос, что считать важным для функционирования биологических систем. Из того, что, например, диффузия и теплоперенос важны для функционирования совсем не следует, что эти явления изучаются биофизикой.

Еще одно определение биофизики перекликается с определением физики. Сравните: "Биофизика – наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических процессов" (А.Б. Рубин), и "Физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира". Сложность в применении этого определения состоит в том, что еще не выявлены наиболее простые и фундаментальные взаимодействия, сохраняющие при этом специфику живого.

Опосредованное через перечисление задач определение биофизики предложил классик отечественной биофизики М.В. Волькенштейн: "Задачи биофизики состоят в познании явлений жизни, основанном на общих принципах физики, и изучении атомно-молекулярной структуры вещества".

Ключевым в этом определении является замечание методологического характера о том, что познание явлений должно основываться на общих принципах физики. Из общих соображений следует, что это не могут быть принципы какого-либо из направлений физики, а быстрее всего это именно методологические принципы, обсуждаемые выше.

В том же направлении ориентировано парадоксальное по форме определение, предложенное Л.А. Блюменфельдом: "Биофизика – это область биологии, в которой должны предпочтительно работать ученые, имеющие фундаментальное физическое образование". На первых взгляд это определение выглядит довольно странным. Постараемся понять, что Блюменфельд имел в виду. Похоже, он считал, что фундаментальное физическое образование имеет свои особенности и способ мышления человека, получившего это образование, отличается от способа мышления других специалистов.

Это различие в мышлении должно проявляться при работе разных специалистов с одним и тем же объектом. И биология и биофизика работают с одними и теми же объектами, но по-разному. В чем же различие?

Суть физического подхода к биологическим системам исчерпывающе выразил известный биофизик Н. Рашевский: «Мы начинаем с исследования в высшей степени идеализированных систем, которые могут не иметь никаких прямых аналогов в реальной природе. Этот момент следует особо подчеркнуть. Против такого подхода можно выдвинуть возражение, что подобные системы не имеют никакой связи с действительностью и что поэтому никакие заключения относительно таких систем не могут быть перенесены на реальные системы. Тем не менее именно этот подход применяли и всегда применяют в физике. Физик занимается детальным математическим исследованием таких нереальных вещей, как «материальные точки», «абсолютно твердые тела», «идеальные жидкости» и т.п. В природе подобных вещей не существует. Однако же физик не только изучает их, но и применяет свои выводы к реальным вещам. И что же? Такое применение ведет к практическим результатам – по крайней мере, в известных пределах. Все дело в том, что в этих пределах реальные вещи имеют свойства, общие с воображаемыми идеальными объектами! Только сверхчеловек мог бы охватить в математическом аспекте сразу всю сложность реального предмета. Мы, обыкновенные смертные, должны быть скромнее, и нам следует подходить к реальности асимптотически, путем постепенного приближения» (цитируется с небольшими сокращениями по Моровиц).

Здесь Рашевский практически описал особенности мышления человека с фундаментальным физическим образованием, способ его работы с объектами живой природы. Биофизик, в отличие от биолога, не занимается поиском обобщений и закономерностей, свойственных широкому классу изучаемых объектов, вернее, он это тоже делает, но не это является главным в его подходе к живому. Биофизик отличается от биолога не применением физических теорий и физических приборов к исследованию живых систем, а тем, что он работает с идеализированными системами. И в какой мере это удается – в той же мере можно говорить о биофизическом подходе.

Если вспомнить вышеприведенную эвристику индивидуального научного поиска, то в ней важными шагами являются начальное представление параметров конечного результата и выбор начального конструкта – средства для организации имеющихся данных и начальной точки собственно работы с проблемой. Тогда отличие физиков от представителей других наук состоит в том, в ходе фундаментального физического образования им прививаются образцы научного продукта, обязательно содержащие теоретическое знание, кроме того они имеют навык использования конструктов для упорядочения эмпирических данных на уровне развитой науки.

Тогда, с учетом вышесказанного, рабочее определение биофизики может звучать так:

Биофизика – это наука, занимающаяся построением и исследованием идеализированных систем, моделирующих ключевые свойства живого на разных уровнях его организации.

Если обратиться к рассмотренным выше этапам становления зрелой научной дисциплины, то можно видеть, что введение идеальных объектов, является необходимым этапом формирования зрелой научной дисциплины и предпосылкой к построению теоретических представлений, которые в дальнейшем, в процессе оестествления, могут стать законами природы. Если еще обратить внимание на то, что ключевые проблемы биофизики являются ключевыми проблемами биологии, то становиться понятно, что биофизика представляет собой неявную попытку развить биологию до стадии зрелой науки путем последовательного применения методологических подходов, хорошо зарекомендовавших себя в физике. Фактически биофизика включает в себя теоретическую биологию, дополненную эмпирическим материалом, полученным в соответствии с экспериментальными критериями физики.

Несмотря на определенные успехи и достижения биофизики в описании и моделировании биологических систем разного уровня организации ее вклад в решение вышеперечисленных проблем не так велик, как это можно было бы ожидать от применения физической методологии.

Можно предположить, что это связано с попыткой механического применения онтологий физики к биологическим объектам. В то же время биологические объекты исследования разительно отличаются от физических. Один из аспектов этого различия – "текучесть" форм и свойств – отметил Макс Дельбрюк — физик и биолог одновременно. Он писал: «Зрелого физика, впервые сталкивающегося с проблемами биологии, ставит в тупик то обстоятельство, что в биологии нет «абсолютных явлений». Каждое явление представляется иным в разных местах и в разное время. Любое животное, растение или микроорганизм… лишь одно звено в эволюционной цепи изменяющихся форм, ни одна из которых не остается сколько-нибудь постоянной».

Кроме того, важно, что биологические системы — это самоорганизующиеся системы, сложившиеся в процессе эволюции, им присущи многие свойства, не имеющие места в неживой природе. Сложность биологических систем обеспечивает протекание процессов, маловероятных для условий, обычно рассматриваемых в физике. Традиционное в физике разложение исследуемой системы на более простые компоненты и исследование отдельных свойств объекта в случае с биологическими системами часто дает сбой, потому что практически все свойства живого обусловлены кооперативным взаимодействием компонентов системы, ее целостностью.

По-видимому, причина низких темпов продвижения в решении ключевых проблем биологии заключается в том, что до настоящего времени не предложены подходящие онтологии, адекватные сущности биологических объектов. Тогда задача современного этапа состоит в построении адекватных конструктов (онтологий) и выделении идеальных объектов, хорошо представляющих сущность биологических процессов на разных уровнях организации живого. Но эта работа еще ждет своих исполнителей.

Трудно удержаться от небольшого замечания, которое может оказать эвристическое воздействие на заинтересовавшихся читателей. Удивительным, но вполне закономерным образом весьма экзотическая дисциплина – астробиология (другое название – экзобиология) оказалась близка биофизике по принципиальной проблеме. Практической задачей астробиологии является поиск внеземной жизни. Однако эффективный поиск внеземных форм жизни невозможен без концептуального описания жизни вообще, жизни как явления. Принятие земных форм жизни как руководящих паттернов (образцов) существенно сужает горизонт поиска. Поэтому астробиология нуждается в выделении имманентного свойства (атрибута) жизни вообще и описании его возможных внешних проявлений. Подобная задача выделения наиболее простых и фундаментальных взаимодействий, сохраняющих специфику живого, стоит и перед биофизикой. Выражение сущности жизни ее "начала" невозможно представить иначе как в виде некоторого теоретического и достаточно абстрактного конструкта.