Биофизика и биотехника

Астрофизика

В 1934 г. была опубликована замечательная работа В. Бааде и Ф. Цвикки, в которой утверждалось, что после вспышки сверхновой звезды образуется нейтронная звезда. Заметим, что сам нейтрон был открыт буквально накануне.

Все дальнейшее развитие астрофизики проходило под знаком этой действительно выдающейся работы.

Сейчас астрофизика переживает период крутого подъема. Он начался после второй мировой войны и характеризуется как "вторая революция в астрономии". Ее важнейший результат - всеволновая астрономия: космическое электромагнитное излучение принимается и изучается от радио- до гамма-диапазонов. Только эпоха великих географических открытий может сравниться с нашим временем по количеству (и качеству) новостей о природе окружающего мира.

Постепенно вырисовывается вся грандиозная история нашей Вселенной - от первых наносекунд ее существования, когда она была ультраплотной и ультрагорячей, до нашей эпохи, когда Вселенная стала удивительным разнообразием физического состояния, образующего ее вещества.

Хочется верить, что астрономия перестанет быть только "фотонной". Возникнут нейтринная и гравитационно-волновая астрономия. Мы узнаем тайну рождения Вселенной, причину Большого взрыва. Может быть, даже обнаружим другие вселенные, с другим набором элементарных частиц, с другими законами природы и другими измерениями. А главное, лучше поймем место Человека во Вселенной.

Биофизика и биотехника

В 1930-х годах на основе квантовых представлений о природе света была определена чувствительность зрительного аппарата человека (П. П. Лазарев, С. И. Вавилов). Обнаружено, что в условиях темновой адаптации (привыкание к полной темноте) человек в состоянии регистрировать отдельные кванты света.

Во второй половине XX в. появился новый термин -биотехника, он относится к участию биологических наук, и в частности биофизики, в решении технических проблем, в улучшении промышленных технологий. Приведем несколько примеров.

- Из всех способов преобразования химической энергии в механическую живая система использует наиболее эффективный: процесс идет при комнатной температуре, низком давлении и сравнительно высоком коэффициенте полезного действия (свыше 30%). Биологические системы отличаются от существующих технических высоким уровнем "миниатюризации", большими концентрациями энергии, низкими коэффициентами трения и большой надежностью.

- Надежность биологических систем определяется самовосстановлением и системой дублирования рабочих элементов. Сердце человека, этот "хемоэлектромеханический насос", производит за жизнь свыше 10⁹ сокращений, в то время как самые надежные механические системы обеспечивают не более 10⁷ переключений, т. е. во 100 раз меньше.

Можно назвать несколько глобальных научных проблем, в решение которых биофизика могла бы внести заметный вклад. Это, во-первых, создание методов контроля за изменениями среды обитания человека; во-вторых, дальнейшее развитие профилактики, диагностики, поддержания и восстановления здоровья; в-третьих, поиск путей обеспечения человека пищей; в-четвертых, определение вариантов рационального использования уменьшающихся запасов полезных ископаемых.

Одна из важнейших задач биофизики состоит в том, чтобы разобраться в цикличности процессов, протекающих в биосфере и предупредить возможное трагическое приближение к границам устойчивости биосферы.

Мы еще достаточно далеки от понимания механизмов живой природы, и призыв древних "Познай самого себя" не только остается актуальным сегодня, но и смело может быть адресован будущим поколениям биофизиков.

Генетика

Революция в генетике еще только начинается.Выделение и внедрение генов карликовости обеспечило стремительное распространение по всему миру короткостебельных неполегающих сортов злаков, способных накапливать урожай зерна до 100 центнеров с гектара. Именно они послужили основой"зеленой революции". Разработка методов прогнозирования эффекта гетерозиса (резкого повышения продуктивности гибридов первого поколения) позволила получить множество гибридов кукурузы, сорго, риса, подсолнечника, новых видов кур, свиней, тутового шелкопряда, ежегодно дающих миллионы тонн дополнительной продукции. Появился первый, искусственно созданный человеком, вид культурного растения тритикале - амфидиплоид, в клетках которого функционируют хромосомы ржи и пшеницы. С помощью новейших методов генетики, в том числе и химического мутагенеза, созданы сотни новых сортов растений.

В связи с возникновением новой ветви биологической науки - молекулярной биологии - появились поразительные возможности для изучения механизмов генетических процессов и управления ими. Открытие основного канала передачи наследственной информации путем комплементарного синтеза молекул нуклеиновых кислот и связанных с этим сложных скоординированных биохимических процессов позволило заглянуть в процесс эволюции макромолекул, создавший такие совершенные структуры, как хлоропласты, митохондрии, рибосомы, молекулы гемоглобинаиферментов. Вместе с тем в последние годы было показано, что только небольшая часть высших организмов, заключенных в хромосомах, - эукариот (т. е. имеющих ядра) - молекул ДНК кодирует синтез белков, а функциональная роль более 90 % ДНК еще неизвестна.

Установлено мозаичное строение гена, т. е. чередование последовательности ДНК, кодирующих часть белковой молекулы - экзонов, с нетранслируемыми последовательностями - интронами. Открыты мобильные генетические элементы - последовательности ДНК, которые при смене поколений могут перемещаться по геному, "включая" и "выключая" отдельные гены, в том числе и онкогены, "запускающие механизм" злокачественного перерождения клетки. Роль этих "прыгающих генов" в функционировании хромосомного набора и в эволюции выяснена еще далеко не полностью, и здесь нас могут ожидать интересные открытия.

Все это стало возможным благодаря разработке целой серииоригинальных методов манипулирования с молекулами нуклеиновых кислот и белков. Были созданы условия не только для расшифровки кода отдельных генов, но и для искусственного синтеза работающих генов. Возникла новая область науки -генетическая инженерия - конструирование рекомбинантных молекул. Сегодня мы можем выделить природный ген или химически синтезировать его, вставить в кольцевую молекулу ДНК - плазмиду и с ее помощью заставить клетки микроорганизмов продуцировать нужные человеку вещества, например, гормон роста, инсулин, интерфероны и т. д. Современная биотехнология основана на культивировании клеток или одноклеточных организмов рекомбинантными молекулами.

• Стволовых клеток в нашем организме очень мало:
• у эмбриона — 1 клетка на 10 тысяч,
• у человека в 60-80 лет — 1 клетка на 5-8 миллионов.
• Стволовые клетки растений также называют камбиальными (от лат. cambium — обмен, смена).

В России

Распоряжением Правительства РФ от 23 декабря 2009 г. № 2063-р Минздравосцразвития России, Минпромторгу России и Минобрнауки России поручено до конца 2010 г. разработать и представить на рассмотрение в Государственную думу РФ проект закона «О применении биомедицинских технологий в медицинской практике», регламентирующего медицинское применение стволовых клеток, как одной из биомедицинских технологий. Поскольку законопроект вызвал возмущение общественности и ученых, он был отправлен на доработку и на данный момент он не принят.

1 июля 2010 года Федеральная службой по надзору в сфере здравоохранения и социального развития выдала первое разрешение на применение новой медицинской технологии ФС № 2010/255 (лечение собственными стволовыми клетками).

3 февраля 2011 года Федеральная службой по надзору в сфере здравоохранения и социального развития выдала разрешение на применение новой медицинской технологии ФС № 2011/002 (лечение донорскими стволовыми клетками следующих патологий: возрастные изменения кожи лица второй или третьей степени, наличие раневого дефекта кожи, трофической язвы, лечение аллопеции, атрофическое поражение кожи, в том числе атрофические полосы (striae), ожоги, диабетической стопы)

На Украине

Сегодня на Украине разрешено проведение клинических испытаний (Приказ МЗ Украины № 630 «О проведении клинических испытаний стволовых клеток», 2007 г.) по лечению следующих патологий с применением стволовых клеток: панкреонекроз, цирроз печени, гепатиты, ожоговая болезнь, сахарный диабет 2-го типа, рассеянный склероз, критическая ишемия нижних конечностей.