И. МАКСУТОВ: В эфире программа Постнаука и главный редактор Ивар Максутов. В это время, как обычно, мы начинаем серьезный разговор о науке.  Общаемся с людьми, которые делают науку и занимается научными исследованиями.  Сегодня тема нашего разговора «Биофизика сложных систем».  Это очень важное направление современных и естественных наук на стыке биологии и физики. Попытка работать с биологией методами физических наук и объяснять некоторые сложные процессы, которые биология сама объяснить не может. Разбираться с биофизикой сложных систем мы будем вместе с профессором МГУ  Фазли Атауллахановым, который также является заведующим лабораторией физической биохимии Гематологического научного центра РАМН и директором центра теоретических проблем физико-химической фармакологии РАН, то есть занимается медицинскими науками, но при этом является биофизиком. О сочетании биологии, физики, медицины и как они все связаны мы поговорим сегодня.

И. МАКСУТОВ: Фазли, здравствуйте.

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Добрый день.

И. МАКСУТОВ: Давайте начнем с того, что такое биофизика. Потому что такое сочетание может людей на какие-то изотерические идеи натолкнуть. Нужно с этим разобраться.

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  На самом деле я начал бы с того, что такое физика. Благодаря сегодня 20 веку, который очень увлеченно занимался ядром и космосом, мы привыкли считать, что физика — это что-то очень мелкое или очень крупное. На самом деле, на стыке классической и квантовой физики имеется очень большая недоработка. В том, что мы каждый день вокруг себя видим - это биологические объекты. Физика плохо понимает те закономерности, которые стоят за биологией. Давно в прошлом споры о том, подчиняется ли биология физическим законам. Да, подчиняется.  Но дело в том, что есть один нюанс. Физика молекул, физика бытовой жизни построена в основном вокруг событий, явлений, процессов, которые близки к равновесию. Камень с макушки горы, скорее всего, свалится при подходящей ситуации и будет лежать где-то внизу. Для него это более вероятное и равновесное состояние. Биологические системы - это системы, очень далекие от равновесия. Они непрерывно тратят энергию, они очень расточительны, но при этом благодаря громадному потоку энергии они могут делать очень много всякого. То есть создавать такие-то системы и устройства, физику которых мы очень плохо понимаем. Физика не готова хорошо описывать явления, которые далеки от равновесия. В этом смысле я, как физик, понимаю биофизику как новый объект физики, с помощью которого сама себя вытаскивает выше своего равновесного состояния, наверх, в сторону сильно не равновесных систем.  Это увлекательное дело. Это не просто абстрактно увлекательно дело.  Это повсеместно и каждодневно полезное дело.  Потому что те знания, которые мы приобретаем, изучая, как устроена биологическая система, позволяют нам почти немедленно решать практические задачи. То, чем я занимаюсь —  это все медицинские приложения. И это естественно, потому что как только нам удается что-то понять, первое же приложение — это не сделать бомбу, не ракету послать, а постараться вылечить какую-нибудь болезнь или помочь врачам лучше лечить людей. И это получается.

И. МАКСУТОВ: С чего начинается биофизика? Не исторический экскурс, а разрешение других вопросов.

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Очертить область биофизики довольно трудно, особенно в России. Долгие годы биофизика считалась второсортной областью.

И. МАКСУТОВ: Почему?

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  В начале 20 века была эпоха биохимии. Появились методы изучения химических реакций, которые протекают в биологических системах  организмов. И, как всегда бывает, человечество любит обманываться, и появилось ощущение, что  молекулярная биология может объяснить всю биологию.  Мол, что мы сейчас все коды прочтем, все геномы расшифруем и все будем понимать. Расшифровали, прочли – безусловно, полезное дело, но все равно ничего не понимаем.  Представьте себе, что перед вами лежит книжка. Вы в этой книжке умеете читать все буквы, но вы не знаете ни одного слова. А уж тем более предложений или текста, который складывается из параграфов или глав – это абсолютно недоступная вещь. Так и в биологии. Молекулярная биология дает нам текст.  Мы знаем буквы. Буквы складываются в большие белковые молекулы.  Мы часто можем расшифровать все атомы, которые содержаться в этой молекуле.   Биологи любят показывать картинки, на которых изображено строение молекул. Очень красиво и ничего не понятно. Причем, в какой-то степени это жульничество и обман: биологи делают вид, что они понимают. На самом деле — нет. Я хорошо знаю, что они понимают ничуть не больше, чем вы, когда глядите на эти картинки. Они понимают маленький процент того, что видят.  А так – это хаос, такая огромная ажурная конструкция, в которой много всего. Как оно работает не очень понятно.  Биофизика всегда пыталась  исследовать какие-то физические закономерности, которые стоят за этим. И это не было успешным, потому что сама физика была слабо развита для этих задач. Биология не обладала нужными инструментами для такого исследования, поэтому, естественно, биофизика была на задворках. Это нормальное и естественное состояние. Сегодня произошли некоторые революционные для науки изменения, когда благодаря предыдущим наукам (биохимии, молекулярной биологии, генной инженерии) у нас появились инструменты, с помощью которых мы можем работать с этими молекулами.

И. МАКСУТОВ: Что за инструменты?  

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Этими инструментами являются простые вещи. Например, обычная световая микроскопия. Для того, чтобы у нас появились какие-то масштабы, я приведу несколько цифр.  Размер атома водорода или длина одной связи, которая соединяет атомы между собой в молекулах, из которых мы состоим – 0,1 нанометра. Слово «нано» сейчас модно. Молекула, которая состоит из тысяч таких атомов, имеет размеры в 100 раз больше – 100 нанометров. Клетка имеет размер 10 000 нанометров. А человек имеет размер 1 метр.  Микроскоп позволяет видеть размер 200 нанометров, это больше, чем размер молекулы. Поэтому молекулы мы не можем видеть.  Мы в клетке видим громадные агрегаты, это иногда хромосомы, иногда понятные структуры, иногда не очень понятные структуры. Разрешение было не для того, чтобы понять, что и как.  Сегодня появилась супермикроскопия, которая позволяет разрешать какие-то движения, которые происходят в биологических системах, их шевеления, их взаимодействия с разрешением близким к атомному. То есть в единицах нанометров. Измерять силы, которые действуют на этих масштабах.  К резкому увеличению разрешающей способности микроскопии, которая была сделана физиками. Это классическая физика и здесь все достижения ее. Есть еще два новых метода. Первый – это  лазерные пинцеты или лазерные ловушки.  Оказалось, что достаточно мощные лазерные пучки являются ловушками, в которые можно ловить микрообъекты, нанообъекты. Когда мы поймали маленький объект в такую ловушку, то поведение этого шарика в этой ловушке мы можем измерять с точностью до атомарного разрешения, в доле нанометров. Измерять силы, которые действуют на этих же масштабах и при этих же изменениях.

И. МАКСУТОВ: Грубо говоря, мы на него не смотрим, а мы его щупаем.  

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Да. Мы его можем растягивать, смотреть как он сам растягивается или сжимается. Регистрировать смещение. Какая часть куда поехала. Другой способ- это щупать щупом. Это атомно силовая микроскопия, когда буквально очень тонкий щуп надавливает на молекулу и смотрит и как она на это реагирует. Присоединяем молекулу к тому щупу или берем молекулу и рассоединяем какие-нибудь микрообъектом, например, шариком и берем ее в две ловушки. Растягиваем и смотрим, как она сама сжимается или разжимается в тех или иных условиях.  В общем, вся эта кухня параллельно с развитием методов визуализации молекул, узнавание их структуры. Структурная информация, дополненная динамической информацией о том, как молекулы шевелятся, привела к возникновению одной молекулярной биофизики. Появилось слово «биофизика». Эту работу назвать биологией нельзя.  Это исследование физических свойств одной единственной молекулы, того главного объекта, который делает всю биологию. Те большие объекты, которыми начинены наши клетки. Сейчас стало модным говорить про молекулы в терминах машин. Часто их называют молекулярными машинами.  Это одна или несколько молекул, объединяющиеся в комплексы.  Для того, чтобы подчеркнуть, что это не просто нагромождение атомов, а что это действующее устройство, у которого есть поршни, цилиндры, роторы и всякие физические элементы. Сейчас научились исследовать работу этих машин. Это и есть биофизика.

И. МАКСУТОВ: Вы можете привести конкретный пример из вашего Гематологического центра? Из лаборатории.

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Если говорить о самых грубых примерах, то лучше начать не с той работы, которой мы занимаемся. Самый зримый образ -  это наши мышцы.

И. МАКСУТОВ: Какие?

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Когда мышцы сокращаются, то это сокращение обеспечивается тем, что некая маленькая молекула, которая называется миозин, делает некое механическое движение, то есть изгибается. Из выпрямленного состояния она переходит в изогнутое, и при этом она цепляться за нити, которые вытянуты вдоль мышцы и тем самым мышца сокращается. Множество таких ансамблей молекул сокращаясь могут двигать. Сегодня мы можем взять молекулу миозина и посмотреть, как она сокращается, как она тянет нить, какие силы при этом развивает. Из этого вывести всю физику работы этой машины, вывести цикл, эквивалентный циклу Карно. Так же как мы понимаем, как работает автомобильный двигатель, так же мы начинаем понимать, как работает молекулярный двигатель, который обеспечивает сокращение мышц. Если переходить  к нашим достижениям, чтобы похвастаться, то я могу сказать, что нам удалось открыть неизвестный двигатель, не мышечный. Может быть, самый древний из мыслимых способов биологического движения.  Этот двигатель, который двигает хромосомы при делении клетки. Двигатель – это микротрубочки.  В клетке есть полимеры, состоящие из белка тубулина, которые полимеризуются в виде трубок.  Эта трубочка может полимеризоваться, а может деполимеризоваться. Если взять одуванчик и оторвать ему голову, то трубка иногда растрескивается и закручивается завитками и быстро сокращается. Примерно также сокращается микротрубочка в клетке. Оказывается, клетка научилась использовать это сокращение, как способ двигать хромосомы. На хромосомах есть молекулярные машины, которые держаться за этот разбирающийся непрерывно раскручивающийся конец и эти завитки укорачивая трубку,  тащат за собой хромосому. Нам удалось впервые показать, что это устройство в процессе деполимеризации может развивать очень приличную, по клеточным размерам, силу. Двигать некие объекты, которые по своей массе и по своим характеристиками эквивалентны хромосомам.  Это пример того, как сегодняшняя биофизика может делать такие интересные вещи. Для общей аудитории хочу отметить некоторую замечательную вещь, которую биофизика принесла в физику. То, что мне больше всего нравится, и то, что обычно не говорят, это развитие биофизики развивает не только биологию, но и она развивает и физику тоже. Она меняет наши физические представления, какие бывают законы и тому подобное. Одни из наглядных примеров: мы привыкли считать, что тепло — самый плохой вид энергии. Если мы хотим взять электричество и его помощью совершить какую-нибудь работу. Например, включить электромотор. Какой у него будет КПД? То есть, какую часть электрической энергии он превратит в механическую работу? Очень большое, близкое к 100%. Если мы возьмем какую-нибудь другую энергию, то превращение одного вида энергии в другой вид энергии почти всегда может происходить с КПД 100% везде, за исключением тепла. Энергию превратить в тепло, например, сжечь дрова, мы можем со 100 % эффективностью. Вся химия сгорит и превратится в тепло. А вот назад превратить тепло в химию, в электричество, или в механическую работу – маленькая вероятность того, что получится. КПД теплового двигателя паровоза – 5 %, а 95% тепловой энергии мы выбрасывали, то есть сжигали. До сих пор все тепловые устройства, электростанции, все, что использует тепло для получения энергии или совершения работы все  делается с довольно низким КПД: 20-30%. Если удается дотянуть до 40% — это является пределом мечтаний. Интересно и поучительно то, что биология работает по-другому. Биологические машины превращают тепло в любую другую работу (механическую или другую) со 100% эффективностью.  Это абсолютно нормально и естественно. Это парадокс, мы опровергаем всю физику благодаря биологии? И, да и нет. Не опровергаем потому, что эффективность преобразования тепла в другие виды энергии зависят от масштабов. Если мы делаем большой цилиндр и вставляем в него гигантский поршень и там сжигаем топливо,  то при сжигании топлива двигаются молекулы, а эти молекулы давят во все стороны. И только часть давят на поршень, остальные давят на стенки. Все уходит в пустую. На молекулярном уровне этого нет. Молекула умеет использовать каждый квант тепла.  Может потратить его только на дело. Поэтому получается 100 % эффективность. Биология устроена из молекул. Она не строит большие поршни или большие тепловые машины.  Она делает все на уровне молекулярных машин, которые оказываются удивительно эффективны.  Мы, как физики, смотрим туда и пытаемся оттуда вытащить что-то полезное и интересное для инженерных вещей, совсем не для биологических.

И. МАКСУТОВ: Сейчас хотелось бы разобраться с основными направления, чтобы было понятно не только на примерах. Чем занимается биофизика? Что сегодня является основными темами?

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Традиционно биофизика появилась в биологии как методическая наука. Она снабжала биологию инструментами для измерения: микроскопами, ядерно-магнитными измерителями и тому подобное, которая использовалась сначала биологами, а потом врачами. Рентгеновские аппараты, например. Техническая роль биофизики была вспомогательной. Это важно, так как развитие биофизических и физических методов решающим образом определяет прогресс в науке.

Е. МАКСУТОВ: Метод медицинской и биологической диагностики.

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Исследования, методы, измерения и проведение исследований.

Е. МАКСУТОВ: В медицине это диагностика. В биологии — изучение исследований. 

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Другая область, которая появилась значительно позже — это математическое моделирование биологических систем, системный анализ. К этому присоединилась системная биология, которая занимается анализом последовательности ДНК, информационными исследованиями. Это область, которая не может существовать без компьютеров и физиков, потому что информационные массивы огромные и работать с ними без современных программ и методов трудно. Системная биология пытается интегрировать знания, которые собираются – самим биологам это становится делать труднее.  Нужны все более математизированные методы, более сложные аппараты, которые идут из физики и математики. Третья область биофизики – это исследования больших молекул, из которых состоят организмы. Чаще всего это одномолекулярная биофизика.  Исследования молекул. Она не только сводится к исследованию одиночных молекул, но и к методам исследования структуры и функции отдельных молекул.  Большая область биофизики, в которой есть большие заслуги Советского Союза – это область, которая занимается нелинейной динамикой, не активными средами. Я попытаюсь объяснить, что за ними стоит. Биология - это  сильно неравновесные среды. Например, мы знаем, что если в воду бросить камень, то по воде побегут волны. Волны и всяческие колебания - это классический объект физики. Если мы попробуем посмотреть, всегда ли волны обладают однотипным поведением, оказывается что есть некий класс волн, которые в это простое представление не укладывается. Это волны, которые связаны с системой, в которых есть большой запас энергии. Например, у нас есть поле и на нем растет трава. Если колыхнуть траву ветром и по полю побежит волна, колебания колосков. Мы можем  поле поджечь  и по нему побежит волна пожара. Волна пожара и волна колебания колосков – это сильно разные волны. Волна пожара самоподдерживающаяся. Если ветер сильный, то сильная волна. Если слабый ветер, то слабая волна. В случае пожара спичка – это ничтожно маленькая вещь, которая зажигает все поле. Вся энергия, которая выделяется при пожаре, она содержится в самом поле. Она не принесена спичкой.  В отличие от классических волн в физике.  Это пример сильно неравновестной системы,  в котором энергия спрятана внутри и нам ее надо только выпустить. Спустить курок и дальше процесс пойдет по своим собственным законам. Эти законы сильно отличаются от тех, к которым привыкла физика. Огромный вклад в понимания такого сорта процессов, которые происходят в системах, которые сами себя поддерживают и из себя берут энергию – это понимание пришло в середине 20 века. Очень большую роль сыграли работы, которые делались в России. Хочется с гордостью об этом сказать.

Е. МАКСУТОВ: Биофизика в России была довольно-таки сильная. Журнал «биофизика», которым интересовались и на западе.

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Журнал есть и сейчас. Он был на два порядка сильнее, чем стал после перестройки. Роль России в науке мы склонны переоценивать. Падение было гигантское. Тогда уровень был хороший, но эти работы о понимании механизмов сильно нелинейных процессов, в которых внутренняя энергия играет гигантскую роль. Все термоядерные процессы, процессы летания ракет – то все процессы сильно нелинейные. Когда у нас есть большой запас энергии, то эту энергию выплескиваем наружу, выделяем, сжигаем — и на этом строится работа системы. Например, летит ракета или крутится колесо электростанции.  В биологии процессы такого сорта сплошь и рядом. А понимания закономерностей этих процессов в физике не было. Она не была готова дать биологии правильные законы и правильное понимание. Поэтому произошла неприятная вещь – физика выступила тормозом в этой области. Для понимания всякого рода сложных и новых систем, исключительно важную роль играют удобные для исследования системы. Эти системы является химические реакции, в которых выделяется энергия для каких-то процессов. Например, бегают волны в химических системах. Первые волны такого сорта были открыты на рубеже 19 и 20 веков несколькими западными исследователями и все были тут же похоронены. Физики объяснили, что это неправильно и такого быть не может. Люди об этом на долгое время забыли. Были ли еще открыты какие-либо системы, скорее вряд ли. Последняя система, которая оказалась наиболее удобной для таких исследований была открыта русским химиком Б.П. Белоусовым. Он работал в военной химии. Он сделал множество замечательных химических процессов, среди них – зеленка. Это его открытие, и он ее внедрил.  Он открыл некую реакцию, в которой наблюдались колебания. В 1953 году отправил статью в журнал. Он получил разгромный отзыв, и поскольку он был человеком обидчивым, он не стал публиковать эти результаты. 10 лет эти результаты лежали в столе. Эти результаты были найдены учеными с физического факультета МГУ, и А.М. Жаботинский, тогда еще аспирант, узнав об этой реакции от Б.П. Белоусова, стал заниматься механизмами этой реакции. Он был одним из лидеров в этой области. Несколько человек смогли не просто доказать, что это есть, что само по себе являлось подвигом, но  и понять основные физические принципы, которые за этим стоят. Это вызвало бум. Несколько публикаций на эту тему в 60-е годы вызвали рождение новой области науки. В России такое бывает очень редко. Сегодня реакция, которая называется «бизиар» или реакцией Белоусова — Жаботинского, известна во всем мире и вошла во все учебники. Было опубликовано десятки тысяч статей. Это признанная область науки, которая легла в основу понимания очень многих биологических процессах. Для того, чтобы этот процесс происходил, используются запасы внутренней энергии.

Е. МАКСУТОВ: Расскажите подробнее про эту реакцию.

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Реакция очень простая. В ней броммалоновая кислота реагирует с броматом и в результате этой реакции образуется продукты: бром и малоновая кислота. Это реакция катализируется некими катализаторами, которые окрашивают раствор. Это очень красиво и наглядно видно: пробирка становится то красной, то синей. Эти колебания могут продолжаться очень долго.  Если дать возможность этой реакции идти в большом объеме, то там наблюдаются волны. Волны красно-синего цвета сталкиваются между собой.  Возникают сложные и динамические структуры, которые непрерывно шевелятся или статические структуры. Если жидкость не перемешивать, то видно, что какие-то места красные, а какие-то синие. Если мы нальем в чашку красную и синюю жидкость, то они быстро перемешаются. Тут этого нет. Получается игрушечная реакция. Закономерности, которым подчиняются образования этих структур, распространение волн, формирование неподвижных структур, которые разбивают все пространство на пятна, оно исключительно важно для еще одной области, которая называется синергетика. Самоорганизация, образование структур – за этими словами стоит очень мало понимания. На самом деле человечество имеет дело с проблемой, которую оно не может решить до сих пор. Мы каждый день это видим и понимать, что мы это не понимаем, в это не верится.  В 21 веке мы летаем на ракетах, делаем супертехнику, а не понимаем простых вещей. Например, как клетка образует себе подобную клетку. В основе всей биологии лежит то, что клетки умеют сами себя копировать. Они могут разделиться на 2 клетки, 2 клетки на 4 клетки.  Мы очень много деталей этих процесса знаем, а принципа не понимаем. Как было бы здорово, если бы мы поняли эти принципы и научились бы строить устройства, которыми мы пользуемся повседневно, которые сами себя могут копировать. Например, если бы наши телефоны начали сами по себе размножаться. Это фантастически новый мир, область запредельной фантастики. Биология это умеет делать.  Мы это видим на каждом шагу, но мы не понимаем, как это делается.  Прогресс в этой области это то, где можно ждать фантастических прорывов и событий.  Эта область является областью биофизики, которая тесно связанна с сильно неравновесными процессами.  Английский ученый Алан Тьюринг предложил свою теорию, которая содержит в себе суть, принцип этой самоорганизации и образование структур. Он предложил модель, в которой исходно однородная среда превращается в какую-то анизотропную среду и появляются какие-то структуры.  В его моделях все было просто. Представьте себе, что лежит веревка. И вдруг веревка стала выглядеть в виде волны. Или пробирка с раствором. Раствор был однородным и одного цвета и вдруг он разбился на красные полосы. Дальше идут чередования цвета волн, из красного в бесцветное и наоборот.  Оно возникло само по себе и не перемешивается. Этот механизм структурирования, который предложил Тьюринг, был воспринят как дореволюционное событие и до сих пор так воспринимается. Это одна из немногих идей, которая позволяет думать, что так может быть в природе. За 60 лет со времен Тьюринга мы поняли, что так точно оно не работает. Эти идеи важны и в каких-то местах биологии они работают. Область биологии, которая пытается понимать закономерности, образования форм, самоорганизации форм – эта область, на мой взгляд, с гигантским будущим. Это скорее область физики, чем биологии. Биология — поставщик примеров. Мы изучали свертывание крови, и это похоже на то, как горит поле или лес. В каком-то месте в крови повреждается сосуд, начинает вытекать. И в этом месте кровь начинает превращаться в твердое состояние, чтобы заткнуть место повреждения. Из места повреждения в кровь бежит волна, фаза перехода крови из жидкого состояния в твердое. И все что нужно, чтобы кровь стала твердой - это есть в самой крови. Ничего извне добавлять не надо. Это в точности, как с пожаром. Интересная особенность, пожар не остановится до тех пор, пока все не сгорит. Твердая фаза пробегает какое-то расстояние, и кровь перестает затвердевать. Процесс останавливается. Эта волна сама себя ограничивает, образуя некую структуру, которая дальше не движется. Это было парадоксально. В течение нескольких лет мы пытались понять, какая же физика за этим стоит. И стало ясно, что нет такой физики. Когда мы полезли глубже, то стало ясно, что появилась еще одна глава в области нелинейной теории самоорганизации. Оказывается, бывают волны, которые отличаются от  реакции Белоусова. Получилось так, что наше исследование о свертывании крови, в первую очередь, привели не к биологическим результатам, а к физическим. Первые наши публикации были в физических журналах. Сегодня эти принципы работают в медицине. Сделан прибор, который позволяет диагностировать свертывание крови. Этот прибор работает на диагностику. Хорошая физика сегодня быстро выходит в практические вещи.

Е. МАКСУТОВ: Я получил огромное удовольствие от вашего рассказа. Как становятся биофизиками?

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  В первую очередь, нужно физическое образование. В России таких мест осталось очень мало. Это физический факультет МГУ. В меньшей степени — Физтех. В мире количество мест, где такого сорта образование дают, быстро растет. Потому что задача очень актуальная.

Е. МАКСУТОВ: Если вы думаете о том, чем заниматься, то биофизика – это перспективное направление.

Ф. АТАУЛЛАХАНОВ:  Бесспорно.

Е. МАКСУТОВ: Спасибо за интересный рассказ. Спасибо, что пришли. Получилась лекция о биофизике.  Я с вами на этом прощаюсь. С вами был Ивар Максутов. Читайте  «Постнауку», любите науку и до новых встреч.