Возникновение квантовой теории привело к попытке объяснить действие лучистой энергии на биологические объекты с позиций статической физики. Появилась формальная теория, которая объясняла лучевое поражение как результат случайных попаданий кванта (или ядерной частицы) в особо уязвимые клеточные структуры. При этом совершенно упускались из виду те конкретные фотохимические и последующие химические процессы, которые определяют развитие лучевого поражения во времени.
Еще недавно на основании формального сходства закономерностей электропроводности живых тканей и электропроводности полупроводников пытались применить теорию полупроводников для объяснения структурных особенностей целых клеток.
В настоящее время разрабатываются модели, которые в какой-то мере воспроизводят поведение целых живых организмов. Так были созданы электронная мышь и электронная черепаха. Они действительно выполняют некоторые акты, присущие живым организмам. Но механизмы, лежащие в основе их работы, отличны от механизмов процессов жизнедеятельности. Познавательное значение подобных моделей для биофизики ограничено.
В общем, надо отметить, что направление, базирующееся на моделях и аналогиях, хотя и может привлечь к работе весьма совершенный математический аппарат, вряд ли приблизит биологов к пониманию сущности биологических процессов. Попытки использования чисто физических представлений для понимания жизненных явлений и природы живой материи дали большое количество спекулятивных теорий и ясно показали, что прямой путь физики в биологию не продуктивен, так как живые организмы стоят несравненно ближе к химическим системам, чем к физическим .
Значительно более плодотворным оказалось внедрение физики в химию. Применение физических представлений сыграло большую роль в понимании механизмов химических процессов. Возникновение физической химии сыграло в химии революционную роль. На основе тесного контакта физики и химии возникли современная химическая кинетика и химия полимеров. Некоторые разделы физической химии, в. которых физика получила доминирующее значение, стали называться химической физикой.
Необходимость возникновения физической химии и химической физики диктовалась тем, что к концу XIXв. химия накопила огромный фактический материал. Стали известны десятки тысяч разнообразных соединений и поэтому возникла необходимость установить общие закономерности, которые показали бы связь строения молекул с их реактивной способностью. Такую связь можно установить только при помощи физики.
Именно с возникновением физической химии связано развитие биофизики. Многие важные для биологии представления пришли в нее из физической химии. Например, появление в физической химии теории растворов и установление факта, что соли в водных растворах распадаются на ионы, привело к представлению о важной роли ионов в основных процессах жизнедеятельности.
Было установлено, что в явлениях возбуждения и проведения решающая роль принадлежит именно ионам. Так возникли ионные теории возбуждения, разработанные Нернстом и П.П.Лазаревым.
С успехами коллоидной химии связаны исследования, в которых было показано, что в основе повреждения протоплазмы различными факторами лежит коагуляция биоколлоидов. В связи с возникновением учения о полимерах коллоидная химия протоплазмы переросла в биофизику полимеров и, особенно, полиэлектролитов.
Появление химической кинетики также вызвало появление аналогичного направления в биологии. Еще Аррениус – один из основателей химической кинетики, показал, что общие закономерности химической кинетики применимы к изучению кинетических закономерностей в живых организмах ик отдельным биохимическим реакциям.
Успехи применения физической и коллоидной химии при объяснении ряда биологических явлений нашли отражение и в медицине. Была выявлена роль ионных и коллоидных явлений в воспалительном процессе. Физико-химическую интерпретацию получили закономерности клеточной проницаемости и ее изменений при патологических процессах. Таким образом открылась новая глава патологии – физико-химическая патология.
Новое направление в биологии, базирующееся на физике и физической химии, стали называть физико-химической биологией, биологической физико-химией, биофизической химией. Позже все эти термины были объединены одним термином – биофизика. По существу биофизика – это физическая химия и химическая физика биологических систем.
Характерной чертой биофизики, отличающей ее от биохимии, является то, что она рассматривает целостные системы, не разлагая их по возможности на отдельные химические компоненты Биофизик всегда должен иметь в виду, что элементарные жизненные процессы протекают в сложных высокополимерных комплексах. При выделении же в чистом виде отдельных компонентов утрачиваются, как правило, важнейшие свойства живого. Нормально функционировать биополимеры способны только в условиях ненарушенной живой системы. Поэтому перед биофизикой встает задача получения информации о физико-химическом строении клетки и ее биополимеров именно в таком виде, в котором они существуют при жизни. Получение же сведений от живой функционирующей системы требует применения таких физических методов и в таких условиях, при которых они сами не вносят каких-либо изменений в исследуемую систему. Между тем многие применяемые в экспериментальной биологии воздействия производят в живых системах необратимые изменения. Например, изменения температуры, различные растворители, соли, кислоты и т.п. приводят к разрушению высокополимерных комплексов, хотя внешняя форма клетки и ее органоидов при этом может сохраняться.
О нарушении жизненных процессов можно прежде всего судить по изменению физических параметров, характерных для живых клеток. При всех вышеупомянутых воздействиях клетки теряют например, способность к поляризации. Это говорит о том, что физико-химические свойства, характерные для живой клетки, существенно меняются при повреждении. Кроме того, при различных воздействиях на клетку могут возникать и артефакты – образовываться структуры и соединения, которых нет в неповрежденных клетках. В зтом отношении критического подхода требует, например, электронная микроскопия, являющаяся мощным познавательным средством для биологии. С ее помощыо цитология и вирусология сильно расширили свои горизонты. Однако, когда при помощи только электронной микроскопии пытаются вскрыть детали тонкого молекулярного строения живого вещества, исследователи иногда сталкиваются с артефактами, что может приводить к ошибочным выводам.
Большая сложность и высокая лабильность живых объектов ставит биофизика в трудные условия и вынуждает его перерабатывать физические методы, создавая специализированные биофизические методы и приемы. Стремление изучать по возможности ненарушенную или лишь минимально измененную живую систему вынуждает биофизиков пользоваться очень слабыми источниками излучения при исследовании оптических свойств клеток, слабыми электрическими токами при измерении электрических параметров и т.п. Поэтому же в своих исследованиях биофизики должны широко использовать усилительную технику.
За последнее время четко выявился ряд теоретических и практических проблем, которые могут и должны решаться именно биофизикой. Биофизика занимается, в первую очередь, вопросами размена энергии в биологическом субстрате, исследованием роли субмикроскопических и физико-химических структур в жизнедеятельности клеток и тканей, возникновением возбуждения и происхождением биоэлектрических потенциалов, вопросами авторегулирования физико-химических процессов в живых организмах. Конкретные задачи современной биофизики весьма разнообразны.
Одна из основных задач биофизики – выявление физических и физико-химических параметров, характерных для живых объектов. Известно, что характерным свойством живых клеток является наличие электрического потенциала между клеткой и окружающей средой; способность удерживать ионный градиент по калию и натрию между клеткой и средой; способность поляризовать электрический ток. При гибели живого объекта эти свойства исчезают. В зафиксированных гистологических препаратах выявляются надмолекулярные структуры, отсутствующие в живых неповрежденных клетках. В то же время тонкие молекулярные структуры клетки, обеспечивающие ее основные прижизненные свойства, оказываются нарушенными. Поэтому именно вопрос о выявлении истинных молекулярных структур и определение прижизненных физико-химических параметров биологических объектов приобретает огромное значение.
Одним из важнейших направлений биофизики является изучение биологического действия ионизирующих излучений. Эта проблема разносторонне изучается различными дисциплинами (физиологией, биохимией, патологией и др.), но самая существенная роль отводится здесь биофизике. Важнейшим моментом в действии лучистой энергии на биологический субстрат является первичный переход физической энергии, поглощенной биологическим субстратом, в хнмическую энергию и развитие первичных химических реакций. При этом происходит образование высокоактивных радикалов и ионов, которые и служат центрами первичных реакций. Первичный выход активных химических продуктов определяет все дальнейшее развитие лучевого поражения. Поэтому в настоящее время первостепенное значение приобретает исследование химической природы первичных радикалов и кинетики радикальных реакций. Отсюда вытекает и важная задача торможения радиационно-химических реакций различными ингибиторами природного происхождения.