Достижения современной биофизики

История научных институтов биологического профиля в России идет с конца ХIХ века и начинается с укусов бешеных собак. Под впечатлением от успеха прививок от бешенства, разработанных Пастером, в конце ХIХ века в Санкт-Петербурге был создан Институт экспериментальной медицины. Организацию института инициировал и финансировал принц А.П.Ольденбургский. Перед этим принцу пришлось посылать на прививку в Париж одного из своих офицеров. В 1917 году на средства купца Х.С.Леденцова в Москве был создан Институт физики и биофизики. Этот институт возглавил П.П.Лазарев, который вскоре оказался близок "к телу Ленину": после покушения на вождя мирового пролетариата ему понадобилось рентгенологическое исследование.

Биофизика в Советской России стала на какое-то время "баловнем судьбы". Большевики были одержимы обновлениям в обществе и демонстрировали готовность поддерживать новые направления в науке. Позже именно из этого Института вырос Институт физики Российской Академии наук. Заметим, что многие фундаментальные физические открытия произошли благодаря интересу ученых к биологическим системам. Так, знаменитый итальянец Луиджи Гальвани сделал открытия в области электричества, изучая животное электричество на лягушках, а Алессандро Вольта догадался, что речь идет о более общем физическом феномене.

В Советском Союзе власти были заинтересованы в проведении научных исследований "широким фронтом". Нельзя было пропустить ни одного из перспективных направлений, которые могли бы сулить в будущем военные или экономические преимущества. До начала 90-х годов государственная поддержка обеспечивала приоритетное развитие молекулярной биологии и биофизики. В 1992 году новые власти послали ученым недвусмысленный сигнал: зарплата научного сотрудника стала меньше прожиточного минимума, и ученые были вынуждены выбирать между эмиграцией и сменой сферы деятельности. Многим биофизикам, не помышляющим прежде об эмиграции, пришлось уехать на Запад. Сообщество биофизиков в России относительно невелико, и если из нескольких тысяч исследователей уезжают сотни, не заметить этого невозможно.

В первое время российская биофизика от "экономической" эмиграции пострадала незначительно. Развитие таких средств коммуникации, как электронная почта и интернет, позволило сохранить связи ученых с коллегами. Многие стали оказывать помощь своим институтам реактивами и научной литературой, продолжили исследования по "своим" темам. Известные ученые после приезда на новое место создали "площадки" для стажировки и пригласили коллег. Уехали самые энергичные ученые, по большей части молодые. Это привело к "старению" научных кадров, чему способствовало также падение престижа специальности. Из-за невозможности прожить на академическую зарплату уменьшился приток студентов в науку. Возник разрыв поколений, который теперь, после 15 лет перемен, начинает сказываться все сильнее: средний возраст сотрудников в некоторых лабораториях Академии наук уже превышает 60 лет.

Российская биофизика не утратила ведущих позиций в ряде направлений, которые возглавляют ученые, получившие образование в 60-80-е годы ХХ века. Значительные открытия в науке сделаны именно этими учеными. Так, в качестве примера можно привести создание в последние годы новой науки - биоинформатики, основные достижения которой связаны с компьютерным анализом геномов. Основания этой науки были заложены еще в 60-е годы молодым биофизиком Владимиром Туманяном, который первым разработал компьютерный алгоритм анализа последовательностей нуклеиновых кислот. Из этого примера становится понятно, насколько важно сейчас привлечь в науку одаренную молодежь, которая смогла бы заложить основания новых научных направлений.

Биофизик Анатолий Ванин еще в 60-е годы открыл роль оксида азота в регуляции клеточных процессов. Позже оказалось, что оксид азота имеет важное медицинское значение. Оксид азота является основной сигнальной молекулой сердечно-сосудистой системы. За исследование роли оксида азота в этой системе была присуждена Нобелевская премия в 1998 году. На основе оксида азота был создан самый популярный в мире лекарственный препарат для повышения потенции "Виагра". Между тем статья Анатолия Ванина "Свободные радикалы нового типа" была опубликована в 1965 году в журнале "Биофизика". Американские ученые демонстрируют ее теперь как первую работу по окиси азота в живом организме. Похожая история произошла и с клонированием - первая работа тоже была опубликована в отечественной "Биофизике"?

Многие достижения в области биофизики связаны с открытой еще советскими учеными автоколебательной реакцией Белоусова-Жаботинского. Эта реакция дает пример самоорганизации в неживой природе, она послужила основанием для многих моделей модной ныне синергетики. Олег Морнев из Пущино недавно показал, что автоволны распространяются по законам оптических волн. Это открытие проливает свет на физическую природу автоволн, что также может считаться вкладом биофизиков в физику.

Одно из самых интересных направлений современной биофизики - анализ связывания малых РНК с матричной РНК, кодирующей белки. Это связывание лежит в основании явления "РНК-интерференции". Открытие этого явления было отмечено в 2006 году Нобелевской премией. Мировое научное сообщество возлагает огромные надежды на то, что это явление позволит бороться со многими заболеваниями. Анализ механизмов связывания молекул РНК успешно проводится в последние годы интернациональной группой исследователей, которыми руководит Ольга Матвеева, работающая ныне в США.

Важнейшим направлением молекулярной биофизики является изучение механических свойств одиночной молекулы ДНК. Развитие тонких методик биофизического и биохимического анализа позволяет следить за такими свойствами молекулы ДНК, как жесткость, способность к растяжению, изгибу и прочность на разрыв. Такие свойства выявляются в экспериментальных и теоретических работах, проводимых в последние годы в России под руководством Сергея Гроховского и в США под руководством Карлоса Бустаментэ. Эти работы смыкаются с исследованиями механических напряжений в живой клетке. Дональд Ингбер был первым, кто указал на сходство механических конструкций живой клетки с "самонапряженными конструкциями". Такие конструкции были изобретены в начале 20-х годов ХХ века российским инженером Карлом Иогансоном и "переоткрыты" позже американским инженером Бакминстером Фуллером.

Традиционно сильны позиции российских биофизиков в области теории. Физический факультет МГУ, где в ХХ веке работали и преподавали сильнейшие в стране теоретики, много дал выпускникам кафедры биофизики. Выпускники этой кафедры выдвинули целый ряд оригинальных теоретических концепций и создали немало уникальных разработок, которые нашли свое применение в медицине. Например, Георгий Гурский и Александр Заседателев разработали теорию связывания биологически активных соединений с ДНК. Они предположили, что в основании такого связывания лежит феномен "матричной адсорбции". Исходя из этой концепции, они предложили оригинальный проект синтеза низкомолекулярных соединений. Такие соединения могут "узнавать" определенные места на молекуле ДНК и регулировать активность генов. В последние годы этот проект успешно развивается, синтезируются лекарства от ряда тяжелых заболеваний. Александр Заседателев успешно применяет свои разработки для создания отечественных биочипов, которые позволяют диагностировать онкологические заболевания на ранних стадиях. Под руководством Владимира Поройкова был создан комплекс компьютерных программ, позволяющих предсказывать биологическую активность химических соединений по их формулам. Это направление позволяет существенно облегчить поиск новых лекарственных соединений.

Галина Ризниченко с коллегами разработала компьютерные модели реакций, проходящих при фотосинтезе. Она возглавляет ассоциацию "Женщины в науке, культуре и образовании", которая совместно с кафедрой биофизики биологического факультета МГУ проводит ряд важнейших для сообщества российских биофизиков конференций. В советское время подобных конференций было много: несколько раз в году биофизики собирались на совещания, симпозиумы и семинары в Армении, Грузии, Украине и Прибалтике. С распадом СССР эти встречи прекратились, что негативно сказалось на уровне проводимых в ряде стран СНГ исследований. Научный совет по биофизике при Академии наук за последние 15 лет провел два Всероссийских биофизических съезда, которые стимулировали научные контакты и обмен информацией между отечественными учеными. Важную роль в последние годы начали играть конференции, посвященные памяти Льва Блюменфельда и Эмилии Фрисман. Эти конференции проходят регулярно на физических факультетах МГУ и СПбГУ.

Если судить по финансовым показателям, то "пальму первенства" за наибольшие достижения следует отдать биофизику Армену Сарвазяну, который создал ряд уникальных разработок в области исследования организма человека с помощью ультразвука. Эти исследования щедро финансируются военным ведомством США: так, Сарвазяну принадлежат открытия связи между гидратацией тканей (степенью обезвоживания) и состоянием организма. Работы лаборатории Сарвазяна востребованы в связи с проводимыми США военными операциями в странах Ближнего Востока.

Мировоззренческие потрясения сулят открытия Симона Шноля: он обнаружил влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций. Речь идет о том, что известный закон Гаусса, или нормального распределения ошибок измерений, оказывается результатом грубого усреднения, которое не всегда бывают правомочным. В реальности все происходящие процессы обладают определенными "спектральными" характеристиками, обусловленными анизотропией пространства. "Космический" ветер, о котором писали фантасты ХХ века, находит свое подтверждение в тонких экспериментах и оригинальных концепциях ХХI века.

Наиболее значимыми для всех людей, живущих на нашей планете, могут оказаться исследования биофизика Алексея Карнаухова. Его климатические модели предсказывают, что нас ожидает глобальное похолодание, которому будет предшествовать потепление. Неудивительно, что к этой теме привлечен огромный общественный интерес. Удивительно, что фильм "Послезавтра" ("Day after tomorrow") основывается не только на этой идее, но и даже на конкретной модели похолодания, предложенной Карнауховым. Течение Гольфстрим, которое согревает Северную Европу, перестанет приносить тепло из Атлантики из-за того, что встречное ему лабрадорское течение из-за таяния ледников и увеличения стока северных рек будет опресняться, благодаря этому станет легче и перестанет "подныривать" под Гольфстрим. Наблюдаемое в последние годы увеличение стока северных рек и таяние ледников придает прогнозам Карнаухова все большие основания. Риски климатических катастроф резко увеличиваются, и общественность ряда европейских стран уже бьет тревогу.

Исследования Роберта Бибилашвили из Кардиологического центра привели к значительным результатам в вопросах излечения ряда заболеваний, считавшихся ранее неизлечимыми. Оказалось, что своевременное вмешательство (впрыскивание в участки мозга больных, пораженных инсультом, фермента урокиназы) способно полностью снять последствия даже очень тяжелых приступов! Урокиназа - это фермент, который образуется клетками крови и сосудов и является одним из компонентов системы, препятствующей развитию тромбозов.

Российская биофизика до последнего времени сохраняла приоритет в большом числе научных направлений: Всеволод Твердислов занят оригинальными исследованиями в области происхождения жизни, Фазоил Атауллаханов получил ряд принципиальных результатов в понимании функционирования кровяной системы, под руководством Михаила Ковальчука развивается ряд направлений в новой науке - нанобиологии, интереснейшие концепции разрабатывают сейчас Генрих Иваницкий, Владимир Смолянинов и Дмитрий Чернавский...

Мировое биофизическое сообщество с восторгом встретило книгу "Физика белка", написанную Алексеем Финкельштейном и Олегом Птицыным. Вместе с книгой "Век ДНК" (в первом русском издании - "Самая главная молекула") Максима Франк-Каменецкого эта книга стала настольным пособием для студентов и ученых из многих стран. В целом за последние 15 лет отечественная биофизика, несмотря на существенное снижение финансирования, не утратила способности генерировать новые идеи и получать оригинальные результаты. Однако ухудшение научной инфраструктуры и приборной базы, отток молодежи в более прибыльные секторы экономики привели к тому, что ресурсы для дальнейшего развития науки оказались исчерпаны. Отечественная наука немного потеряла в скорости и интенсивности своего развития. Поддержали науку самоотверженность ученых, помощь западных коллег и фондов, а также значительность инерции, определяемая трудоемкостью образования. "Спасительную" роль здесь сыграла и консервативность пристрастий ученых. Наука на протяжении столетий поддерживалась благодаря интересу к ней выходцев из высших слоев общества, финансирующих исследования из своего кармана (вспомним принца Ольденбургского). Известный аристократизм академический науки спас ее носителей от рыночных искушений "переходного периода".

Сейчас эти "благородные доны" в биофизике уже не могут найти и воспитать себе подобных: молодежь идет в офисы не потому, что она не любит науку, а потому, что не может найти полноценного вознаграждения своим трудам. Недо-образованность стала бичом нашего времени: для того чтобы "сделать" настоящего ученого, требуется не менее 8-10 лет: 5-6 лет обучения в вузе или Университете и три года в аспирантуре. Все это время молодого человека должны содержать родители, если же он начинает "подрабатывать", то, как правило, это завершается уходом "в офис". Однако найти родителей, которые на протяжении десятка лет готовы пестовать свое дитя и ублажать его интерес к науке, довольно трудно. Такие родители могли бы найтись в научной среде, если бы сами ученые имели достаточное финансирование. Благодаря длительному образованию получается "долгоиграющий" специалист, однако обрыв образования на полпути приводит к "недоучкам". Именно невосполнимая потеря молодых специалистов (а не достижений) в науке - главный итог перемен в отечественной биофизике. Утрата достижений и потеря мирового уровня исследований - процесс, который нас еще ожидает, если молодежь не вернется в науку.

Из последних достижений зарубежных ученых можно отметить два: во-первых, группа американских исследователей из Университета Мичиган под руководством С.Дж. Вайса открыла один из генов, ответственных за "трехмерность" развития биологической ткани, во-вторых, ученые из Японии показали, что механические напряжения помогают создать искусственные сосуды. Японские ученые поместили стволовые клетки внутрь полиуретановой трубки и пропускали через трубку жидкость под переменным давлением. Параметры пульсирования и структуры механических напряжений были примерно теми же, что и в реальных человеческих артериях. Результат обнадеживает - стволовые клетки "превратились" в клетки выстилки кровеносных сосудов. Эта работа позволяет глубже понять роль механических напряжений в развитии органов. На повестке дня создание искусственных "запчастей для ремонта" кровеносной системы. Новости науки можно посмотреть на сайте scientific.ru.

Суммируя, можно сказать, что российская биофизика немало потеряла в настоящем, но ей угрожает более серьезная опасность - потерять будущее.

Автор считает своим долгом поблагодарить Наталью Георгиевну Есипову, Симона Эльевича Шноля и Александра Ермакова за ценную информацию.