Горизонты биофизики

– Я бы выделил четыре группы проблем, стоящих перед современной наукой.

Прежде всего это создание методов контроля, защиты и восстановления среды, необходимой для жизни человека.

Во-вторых, дальнейшее развитие профилактики, диагностики, поддержания и восстановления здоровья человека.

В-третьих, поиск оптимальных вариантов обеспечения человека пищей, полезной для здоровья.

И, наконец, выяснение путей преодоления трудностей, связанных с уменьшением запасов полезных ископаемых.

Все эти проблемы должны решаться в комплексе, ибо в противном случае возможны серьезные ошибки. Примеров тому уже более чем достаточно. Вот один из типичных.

Хорошо известно, что урожайность сельскохозяйственных культур можно повысить, используя удобрения и пестициды. Но при этом зачастую происходит смыв этих химических веществ в реки и озера – источники питьевой воды. Небезобидны для растений и сами удобрения. Так в моркови, питаемой слишком «щедрыми» дозами фосфорно-калиевых удобрений, в 3 – 5 раз повышается содержание калия. Другие сельскохозяйственные культуры меняют свой аминокислотный состав, в третьих – увеличивается содержание соединений фосфора и азота. Как видите, третья в данном случае проблема решалась в ущерб первым двум.

Но ведь, кроме химических методов интенсификации сельского хозяйства, существуют и физические. Предпосевное облучение семян ультрафиолетовыми или гамма-лучами позволяет получить 10 – 15-процентную прибавку к урожаю. Применение электромагнитных полей и ультразвука помогает успешно бороться с вредителями растений. Съемка поверхности земли из космоса – надежный путь для получения оперативной информации о состоянии почв, сельскохозяйственных культур и водоемов.

Биофизика, разумеется, может внести и уже вносит свой вклад также в решение четвертой глобальной научной проблемы, позволяя создавать принципиально новые технологии. Приведу всего лишь один пример. Мы знаем, как бурно сегодня растет потребность в фотоматериалах, непременной частью которых являются соединения серебра. Не менее хорошо известно и другое – его мировые запасы близки к истощению. Но гораздо менее известно, что в живой природе есть целый ряд фотопигментов, которые самой эволюцией «отработаны» для взаимодействия со светом. Особое место среди них занимает родопсин – чувствительный элемент сетчатки глаза человека и животных. Поглощая квант света, родопсин распадается и меняет свою окраску. И вот в темноте он снова восстанавливается. Родопсин в относительно больших количествах входит и в состав целого ряда фотосинтезирующих бактерий, например, пурпурных бактерий, «живущих» в очень соленой воде.

Примерно десять лет назад в нашей стране началась работа в рамках проекта «Бактериородопсин», объединившего усилия биохимиков, биофизиков и физиологов для исследования структуры и механизмов функционирования родопсинов. Сегодня нам уже ясны детали фотохимического цикла, который здесь происходит. Расшифрована структура родопсина, а также известно, что бактериородопсин может обратимо функционировать в растворе и на тонкой пленке. Причем – это существенно важно – пленка может быть как влажной, так и полностью обезвоженной. Оказалось также, что бактериородопсин не утрачивает своих свойств при нагревании до 100 градусов, устойчив к действию многих химических веществ и сильных электрических полей. Обнаружилась еще одна его замечательная особенность: обезвоженный бактериородопсин может «останавливаться» на определенной стадии фотохимического цикла, сохраняя записанное на нем изображение. Именно здесь, на этой стадии изучения бактериородопсина, и появилась идея использовать его как фотоматериал.

Но сказанным замечательные свойства бактериородопсина не исчерпываются. Он легко кристаллизуется, образуя пленку с расстоянием между молекулами в 40 ангстрем (напомню, что 1 ангстрем – это стомиллионная доля сантиметра). При взаимодействии с квантом света каждая (!) молекула родопсина, распадаясь, меняет свой цвет. Так что эта пленка обладает гигантской разрешающей способностью. И не надо забывать еще о том, что такие пленки можно использовать многократно, записывая и стирая изображения. В этом случае она, как это понятно, превращается в микроэлемент ЭВМ со световой памятью.

Я глубоко уверен, что пройдет каких-то пять – десять лет, и во многих областях техники появятся новинки, в основе которых будут лежать биологические системы. Мы стоим на пороге эпохи биотехники и биотехнологии.

– В августе прошлого года в Москве проходил I Всесоюзный биофизический съезд. В течение шести дней более тысячи его участников обсуждали состояние и пути дальнейшего развития биофизики. На пленарных заседаниях съезда было прочитано 9 докладов, на секциях – 350. Кроме того, было представлено 2650 стендовых докладов – своеобразных «гибридов» журнальной статьи и устного сообщения. Тезисы всех этих выступлений были изданы перед съездом и составили пять увесистых томов. Понятно, что бессмысленно пытаться хотя бы перечислять то, о чем говорили на съезде. Поэтому расскажите о какой-нибудь одной работе, практическое использование результатов которой уже достаточно ясно для специалистов.

– Пусть это будет использование перфоруглеродов в медицине и биологии. Несколько слов в пояснение. Приставка «пер» означает «полностью», и, таким образом, «перфоруглерод» расшифровывается как «полностью фторированный углерод». Есть, правда, и другое название – ПФОС, то есть «полностью фторированное органическое соединение». Сегодня синтезировано и продолжает синтезироваться огромное множество ПФОСов, которые отличаются друг от друга главным образом группой, содержащей фтор.

Чем же они привлекательны? Прежде всего тем, что при своей химической инертности они являются прекрасными «хранителями» кислорода и углекислого газа.

Именно эта особенность ПФОСов позволила ученым предложить новые методы «искусственного дыхания» для выращивания клеток вне организма, для поддержания жизнеспособности трансплантируемых органов и, наконец, для создания специальных эмульсий, которые могут выполнять одну из главных функций крови – «обменивать» углекислый газ на кислород. Правда,, длительное жидкостное дыхание в ПФОСах невозможно, так как они в два раза тяжелее воды и в 1000 раз – воздуха. И мышцы, осуществляющие движение грудной клетки, не могут выдержать такой нагрузки. Но вот принудительное прокачивание ПФОСа через легкие позволяет животному дышать такой жидкостью довольно долго.

А представьте, какие перспективы откроются, если удастся разработать безвредные методы дыхания жидкостью для человека! Резко расширятся возможности завоевания Мирового океана, так как водолазы смогут опускаться на значительные глубины, не боясь заболеть кессонной болезнью или отравиться азотом.

Применение ПФОСов перспективно и в медицине. Например, при промывании легких (так называемый «лаваж») у больных бронхиальной астмой, при лечении тяжелых форм отеков легкого и некоторых других видов легочных заболеваний.

Еще одна область использования ПФОСов – создание кровезаменителей. Ведь сегодня кровь в капиталистическом мире стала предметом «бизнеса», и за литр донорской крови в Нью-Йорке, например, платят 100 долларов. В развитых капиталистических странах появилась масса фирм, которые скупают кровь в Латинской Америке или в Африке и перепродают ее втридорога фармакологическим учреждениям и клиникам. Так что создание дешевых и надежных кровезаменителей стало сегодня острым вопросом.

Первое переливание человеку кровезаменителя, созданного на основе ПФОСа, было проведено в 1978 году в Японии. Больному, у которого оказалась очень редкая группа крови, влили один Литр кровезаменителя, что составляет около 20 процентов крови. Сегодня же во всем мире проведено более 100 таких переливаний.