Biofizika ir jos perspektyvos Lietuvoje

BIOFIZIKA [Bios (lot.) – gyvybė, physis (lot.) – gamta] pagal pavadinimo prasmę reiškia mokslą apie gyvąją gamtą, gyvąsias sistemas. Biofizika kitaip nei beveik tą pačią prasmę turintis biologijos mokslas, aprašantis ir aiškinantis gyvąją gamtą, biologiją modernizuoja – grindžia ją tiksliaisiais mokslais. Dabar biofizika visus gyvosios gamtos reiškinius bando aiškinti fizikos, chemijos ir kibernetikos mokslų sąvokomis bei dėsniais. Ši biofizikos formuluotė yra labai artima prieš gerą šimtą metų žymaus matematiko, biometrijos kūrėjo, biofizikos vardo autoriaus Č.Pirsono pateiktam apibrėžimui: “Reikalinga mokslo šaka, kkuri neorganinių, arba fizikos reiškinių dėsningumus pritaikytų organinių formų vystymuisi aiškinti. Toks mokslas, bandantis parodyti, kad biologijos (morfologijos, embriologijos ir fiziologijos) faktai sudaro tik atskirus bendrų fizikos dėsnių atvejus, gavo etiologijos pavadinimą. Geriau būtų šį mokslą vadinti BIOFIZIKA. Šiuo metu biofizika nepasižymi ženkliais laimėjimais, bet visiškai realu, kad jos laukia ypatinga ateitis.” Čarlzas Pirsonas, “Mokslo gramatika”, Londonas, 1892 m.

Biofizika – XX a. ir ateities mokslas, bet tai nereiškia, kad iki tol nieko nebuvo daroma šioje srityje. L.Galvanis išaiškino elektrinių rreiškinių įtaką raumens susitraukimui, J.C.Maksvelas sukūrė spalvinio regėjimo teoriją, H.L.F.Helmholcas išmatavo nervinio impulso sklidimo greitį. Bet tik XX a. biofizika perėjo nuo organizmų fizikinių savybių ir fizikinių poveikių jiems prie fundamentalių problemų – paveldimumo ir kintamumo, onto- ir filogenezės, metabolizmo iir energetikos tyrimo.

Žinynuose, enciklopedijose, vadovėliuose biofizika apibrėžiama kur kas siauriau, negu yra iš tikrųjų. Biofizika pateikiama kaip mokslas, tiriantis ir aiškinantis gyvybės reiškinius fizikos, fizikinės chemijos metodais bei dėsningumais. Tokia biofizikos samprata sumenkina kibernetikos svarbą, neišskleisdama reguliavimo, valdymo, homeostazės bei informacinių kodavimo – dekodavimo procesų, prioritetus suteikdama energijos bei medžiagų virsmams. Tai siauroji biofizikos mokslo samprata. Biologinėse sistemose medžiagų ir energijos virsmai vyksta skirtingai nei klasikiniuose negyvosios gamtos mokslų objektuose – fizikų “idealiųjų dujų inde” ar chemikų “homogeniškoje terpėje”. Gyvosioms sistemoms būdinga medžiagų ir energijos virsmų specifinė organizacija, kurios dėka ir pasireiškia gyvybės savybės, kurių nėra tradicinėje fizikos bei chemijos – negyvosios gamtos mokslų interesų sferoje. Kyla poreikis mąstyti organizuotos sistemos kategorijomis. Ne atsitiktinai nuo seniausių laikų biologai vartoja tterminą organizmas, pabrėždami biologinių sistemų organizuotumo svarbą. Atsiranda poreikis gyvųjų sistemų aiškinimui pasitelkti mokslą apie organizuotas sistemas – kibernetiką. Būtent informaciniai valdymo procesai kaip tik ir suteikia organizuotoms sistemoms tvarkingos veiklos specifiką, o biologinėms sistemoms – reguliacijos, homeostazės, koordinacijos, tikslingumo savybes. Tokiu būdu biofizika siaurąja prasme, papildyta mokslu apie organizuotas sistemas, tampa biofizika plačiąja prasme. Šiuo atveju biofizikos apibrėžimą galima taip suformuluoti: BIOFIZIKA – tai tikslusis gyvosios gamtos mokslas, joje vykstančius reiškinius aiškinantis fizikos, chemijos ir kibernetikos mokslų dėsniais ir ttyrinėjantis šių mokslų metodais. Biofizika – tai mokslas, kuris organizuotų sistemų teorijos (kibernetikos) požiūriu aiškina funkciškai tikslingai, kryptingai vykstančius energijos ir medžiagų virsmus gyvosiose sistemose bei kibernetikos, fizikos ir chemijos mokslų metodais tiria biologinius reiškinius.

2. Biofizikos objektas

Pagal tiriamų objektų lygį biofizika gali būti skirstoma į tris dalis:

– molekulinė, tirianti funkciškai aktyvias medžiagas, tokias kaip baltymai ir nukleino rūgštys;

– ląstelinė, susijusi su gyvomis ląstelėmis ir jų sandara, ypatingą dėmesį skiriant ląstelių ir jų sudėtinių dalių membranų struktūrai;

– sudėtingų sistemų, tirianti skirtingus gyvus organizmus fizikinio-matematinio modeliavimo metodais. Šiuo atveju gali būti tiriama ląstelių grupės, atskiri audiniai, fiziologinės sistemos, organizmų populiacijos.

Fizikai, biologai, matematikai, kibernetikai, inžinieriai ir medikai, besivadinantys biofizikais, gana skirtingai supranta biofizikos tyrimų objektus ir tikslus:

– fizikai biofizikai teigia, kad biofizika yra fizikos mokslo dalis, fizikos ir fizikinės chemijos metodus taikanti biologinių objektų tyrimams bei biologinius reiškinius aiškinanti fizikos dėsniais. Toks požiūris labai dažnai ignoruoja ypač svarbius biologijoje informacinius bei fiziologinio tikslingumo reiškinius;

– biologai biofizikai tvirtina, kad biofizika yra biologijos mokslas, kurio paskirtis biologinius reiškinius aiškinti ir tirti fizikos mokslo metodais. Fizika suprantama kaip biologijos mokslo “tarnaitė”;

– matematikai biofizikai, biologinius reiškinius aprašantys matematiniais modeliais, biofiziką sutapatina su biometrija ir matematiniu modeliavimu;

– kibernetikai biofizikai gyvosios gamtos objektus laiko kibernetinėmis “mašinomis”, kuriose svarbiausi yra iinformaciniai kodavimo-dekodavimo bei valdymo procesai, į antrąjį planą atidėdami šių procesų mechanizmų aiškinimus;

– inžinieriai biofizikai gyvąją gamtą mato technikos požiūriu, kaip įvairiausias sudėtingas energetines, chemines, informacines mašinas, iš kurių semiasi kūrybinių idėjų;

– medikai biofizikai biofiziką supranta kaip fizikinių-inžinerinių metodų taikymą diagnostikoje, gydyme, prietaisų kūryboje.

Tokią požiūrių įvairovę daugiausia lėmė tai, kad istoriškai biofizika plėtojosi daugelio mokslo sričių sandūroje.

3. Biofizikos raidos etapai

Biofizikos, kaip organizuotų biologinių sistemų teorijos, pradininku, naudojusiu dedukcijos metodą, galima laikyti Aristotelį (384 – 322 p.m.e.). Fizikos mokslo pradininkas neskyrė gyvosios gamtos nuo negyvosios ir aiškinant gyvybės reiškinius reikalavo matyti funkcinį tikslingumą bei specifines gyvybės savybes – entelechijas.

Biologinius reiškinius vertinti matematiškai pradėjo Leonardas iš Pizos, vadinamas Fibonačiu, 1202 m. paskelbęs pirmąjį idealizuotos triušių populiacijos augimo dėsnį (Fibonači skaičių eilę).

Mechanistinės biofizikos mokslo pradžią galima datuoti 1680 m., kai Italijoje pasirodė D.Borelio dviejų tomų knyga “Apie gyvūnų judėjimą”. Pirmame tome aprašęs įvairių žmogaus ir gyvūnų raumenų ir skeleto struktūras bei formą, antrame tome fizikinių mechanizmų, mechanikos, hidraulikos kalba aiškina raumenų susitraukimą, skeleto mechanizmą, širdies judėjimą, kraujo cirkuliaciją bei virškinimo mechaniką. Tai – fundamentalus biomechanikos veikalas. Tiesa, biofizikos vardo šiame veikale nerasime.

Laisvesnes biofizikines teorines koncepcijas skelbė prancūzas R. Dekartas, pirmoje XVII a. pusėje išspausdinęs “Traktatą apie žmogų”, kuriame pateikė hipotetinius teorinius aaiškinimus apie raumens susitraukimą, “reflekso” lanką, regėjimą, nervų sistemos bei smegenų veikimo mechanizmus. Jis įvedė mechanistinį požiūrį į biologinių reiškinių aiškinimą.

Ryškiausias XVIII a. pabaigos biofizikos mokslo reiškinys – italų anatomo ir fiziologo L.Galvanio knyga “Traktatas apie elektrines jėgas judant raumenims”, kurioje jis išdėstė hipotezę, kad raumenyse kaupiasi elektrinis krūvis, kuris užsidarius grandinei nervais sukelia elektros srovę ir raumens susitraukimą.

XIXa. pradžioje anglas T.R.Malthusas paskelbė fundamentalųjį darbą “Patirtis apie gyventojų augimo dėsnį”, kuriame matematine diferencialinių lygčių kalba įrodinėjo, kad žmonės ir gyvūnai dauginasi geometrine progresija, o maisto kiekis didėja aritmetine progresija. Taip jis pagrindė “kovos už būvį” neišvengiamumą, kuris turėjo reikšmės Č.Darvino evoliucijos teorijai. Tai bene pirmasis darbas, kuriame I.Niutono klasikinės mechanikos mąstymo kalba buvo pritaikyta biologiniams dėsningumams aiškinti.

1835 m. belgų matematikas A.Ketlė išspausdino knygą “Apie žmogų ir jo sugebėjimų vystymąsi, arba socialinės fizikos patirtis”. Šiame veikale populiacijų dinamika pateikiama tikimybių teorijos, matematinės statistikos kalba, sujungiant antropometrijos ir socialinės statistikos metodus. A.Ketlės darbai padėjo šiuolaikinės biometrijos pagrindus.

Kai kurie autoriai biofizikos gimimo data laiko 1841 m., kai J.R.Majeris paskelbė darbą, teigiantį, kad žmogui galioja energijos tvermės dėsnis.

H.L.F.Helmholcas 1850 m. išrado oftalmoskopą, išmatavo sužadinimo sklidimo varlės nervu greitį. Jis taip pat sukūrė rezonansinę klausos teoriją ir ausies modelį. Ne atsitiktinai kai

kurie biofizikos autoritetai Helmholcą laiko pagrindiniu biofizikos pradininku (nors biofizikos vardu jis nėra paskelbęs nė vieno darbo).

Biometrijos ir biofizikos sąvokas pirmieji pasiūlė anglai – F.Galtonas (1822-1911) ir K.Pirsonas (1857-1936). Jų darbai turėjo didelės reikšmės eksperimentinei biologijai ir kartu su Darvino evoliucijos teorija įnešė esminių pokyčių į biologinį kiekybinį mąstymą.

K.Pirsono mokinys B.Gosetas (1876-1937), tyrinėjęs mielių populiacijų procesą, sukūrė matavimo ir vertinimo metodus, be kurių šiandien neapsieina joks eksperimentatorius. Retas kuris naudojantis Stjudento koeficientą, Stjudento kriterijų, žino, kad naudojasi Goseto sukurta mmatematinio mąstymo metodika. Anglų matematikas P.E.Fišeris (1890-1962), visą gyvenimą domėjęsis biologijos problemomis, sukūrė biologinės selekcijos metodus – eksperimento planavimą, dispersinę analizę ir daug kitų biometrijos metodų, kurie plačiai taikomi įvairiausiose technologijose, taip pat ir biotechnologijoje.

XX a. pradžioje intensyviai pradėti taikyti matematiniai metodai biologijoje. Vienas svarbesnių tuo metu sukurtų matematinių modelių buvo L.Michaelio (1875-1949) ir M.Menteno (1879-1960) išvesta fermentinės reakcijos kinetinė lygtis. 1924 m. amerikietis A.Lotka išspausdino pirmąjį “siaurosios” biofizikos sampratos veikalą “Fizikinės biologijos elementai”, kuris buvo to meto originali, matematiniais aaiškinimo metodais pagrįsta gyvybės fizikochemija.

XX a. pirmoje pusėje Rusijoje susiformavo stipri biologijos teorinių koncepcijų mokykla, kurios pradininkas buvo prof. N.Kolcovas. 1919 m. Maskvoje buvo įkurti net du pirmieji pasaulyje moksliniai biofizikos institutai.

Bendrosios sistemų teorijos pradininku yra pripažintas L. von Bertalanfis ((1901-1972). O fizikinės-mechanistinės biofizikos apibendrintoju galima laikyti E. Šrėdingerį, kuris 1943 m., išstudijavęs biologinius faktus, knygoje “Kas yra gyvybė? Fiziko požiūris” reziumavo, kad “žinomų fizikos dėsnių gyvybei suprasti nepakanka”. Jis tikėjo, kad “gyvybei paaiškinti bus atrasti papildomi dėsniai, kurie atskleis gyvybės paslaptis, ir šie dėsniai bus taip pat fizikos dėsniai”.

1948 m. pasirodė du mokslo darbai, pateikę mąstymo alternatyvą fizikai ir chemijai. Tai N.Vinerio “Kibernetika” ir K.E.Šenono “Matematinė informacijos perdavimo teorija”. Buvo parodyta, kad gamtoje, technikoje ir visuomenėje, be medžiagų ir energijos virsmų, egzistuoja informaciniai valdymo procesai, sąlygojantys organizuotumą, funkcinį tikslingumą. Buvo pabrėžta, kad informaciniai valdymo procesai būdingi tik gyvajai gamtai, ir tik tam tikrai techninių mašinų grupei, ir kad informacija iš esmės nesuvedama į energijos ar/ir medžiagų virsmus. Šenonas aatskleidė informacijos kiekio vertinimo būdą, pateikė algoritmą, kaip kiekybiškai įvertinti kodavimo-dekodavimo efektyvumą perduodant informaciją kanalu esant triukšmui. Tokiu būdu atsirado informacijos teorija.

Šiuolaikinis biofizikos plėtros etapas iš esmės prasidėjo nuo baltymų erdvinės struktūros ir dvigubos DNR spiralės nustatymo (J.D.Vatsonas, M.Vilkinsas ir F.H.Krikas). Fotosintezuojančiose membranose buvo nustatytas molekulinių srovės generatorių mechanizmas, atskirų jonų kanalų molekulinė struktūra. Sudėtingų sistemų biofizikoje visai sėkmingos pasirodė fizikinės idėjos apie negrįžtamų procesų termodinamiką (I.Prigožinas) ir hiperciklus, kaip evoliucijos pagrindą (M.Eigenas).

Kibernetikos ir informacijos teorijos atsiradimas turėjo didelės įįtakos naujo požiūrio, aiškinant biologinius reiškinius, raidai. Atsirado naujos mokslinių tyrimų kryptys: biokibernetika, bionika, biotechnologijos, nanotechnologijos, biologinių reiškinių modeliavimas ir t.t.

4. Biofizikos perspektyvos Lietuvoje

Lietuvoje biofizika atsirado tik XX a. šeštojo dešimtmečio pabaigoje Kauno medicinos institute ir Vilniaus universitete. Šiose aukštosiose mokyklose pagal skirtingas studijų programas buvo rengiami biofizikai medikai ir biofizikai biologai. Deja, po 5-6 laidų biofizikų rengimas pagal šias programas buvo nutrauktas. Tiesa, iki 2001m. Vilniaus universitete, biologijos ir fizikos pagrindinių studijų programas papildžius keliais specialiais kursais, buvo rengiami “biofizikos” specializacijos biologai ir fizikai. Šie absolventai, toliau tęsdami mokslinius tyrimus įvairiose Lietuvos ir užsienio šalių mokslo institucijose, yra pasiekę gerų rezultatų – daugelis apgynę daktaro ar habilituoto daktaro disertacijas, kai kurie pelnė Lietuvos valstybines premijas. Biofizikiniai mokslinio tyrimo darbai Lietuvoje atliekami Vilniaus, Kauno medicinos, Vytauto Didžiojo, Vilniaus Gedimino technikos universitetuose, Fizikos, Matematikos ir kibernetikos, Ekologijos, Botanikos institutuose, Vilniaus respublikinėje psichiatrijos ligoninėje ir kitur.

Praėjusio dešimtmečio, taip pat artimiausių metų Europos šalių aukštojo mokslo plėtros tendencijos, mokslo ir technologijų plėtra bei bendroji švietimo sistemos strategija numato vis didėjančią moderniosios biologijos mokslo krypčių – biofizikos, biotechnologijos, nanotechnologijos, bioinformatikos, neurobiologijos specialistų reikšmę. Šios mokslo kryptys Europoje ir visame pasaulyje yra pripažintos prioritetinėmis.

Lietuvos mokslo, technologijų ir inovacijų politikoje prasideda naujas svarbus etapas, sąlygojamas Lietuvos aapsisprendimo stoti į Europos Sąjungą. Lietuvai dabar būtina pripažinti Europos Sąjungos narių vieningai priimtas prioritetines mokslinių tyrimų ir technologijų plėtros kryptis, jau dabar formuojančias ateities ekonomikos pagrindus bei nulemsiančias visuomenės gyvenimą ir tautų konkurencingumą globalioje aplinkoje.

Atsižvelgiant į jau tvirtai suformuluotus Lietuvos plėtotės prioritetus (eurointegraciją, žinių visuomenės kūrimą), minėtų mokslo krypčių specialistų paklausa mūsų valstybėje artimiausiu metu be jokios abejonės turėtų išaugti. Tai numato ir Lietuvos aukštojo mokslo plėtros strategija 2001-2005 metams. Ypač turėtų išaugti turinčių plataus profilio bazinį biologo parengimą ir gerai įvaldžiusių matematikos, kibernetikos, fizikos, chemijos metodus bei sugebančių juos taikyti praktinėje veikloje specialistų, t.y. biofizikų, poreikis.

5. Biofizikos studijos Vilniaus universitete

Vilniaus universiteto Gamtos mokslų fakultete nuo 2002m. numatoma rengti biofizikos bakalaurus. Kadangi Lietuvoje jau funkcionuoja lanksti, modulių pagrindu organizuota studijų sistema, paliekant studentams teisę pasirinkti dalį disciplinų ir savarankiško darbo kryptį, per 4 metus (pagrindinių studijų pakopa) bus parengti aukštos kvalifikacijos specialistai biofizikai, gebantys šiuolaikiškai spręsti aktualiausias biologijos, biofizikos, bioinformatikos, biotechnologijų, farmakologijos, medicinos, aplinkos apsaugos ir ekologines bei kitas moderniosios biologijos problemas. Be to, turėdami universalų pasirengimą, šie bakalaurai galės tęsti įvairių mokslo krypčių antrosios pakopos (magistro) studijas Vilniaus universitete bei kitose Lietuvos ir užsienio aukštosiose mokyklose.

Biofizikų rengimo programa sudaryta taip, kad ji atitiktų Vilniaus universiteto tikslus ir rraidos perspektyvas bei prioritetus, t.y. kad pagal ją būtų galima parengti plataus profilio universitetinį išsilavinimą turinčius specialistus. Bendrojo universitetinio lavinimo dalykai sudaro 17,5 proc. programos apimties, 27,5 proc. skirta studijų programos pagrindams, 55 proc. – studijų programos specialaus lavinimo dalykams bei kursiniams ir baigiamajam darbui. Paskutiniųjų studijų metų privalomai pasirenkami kursai sugrupuoti taip, kad studentai galėtų įgyti norimo profilio žinių ir specializuotis praktinei veiklai molekulinės bei medicininės biologijos, bioinformatikos, biotechnologijų, aplinkosaugos ir ekologijos srityse.

Daugumą kursų studentams skaitys Vilniaus universiteto Gamtos mokslų, Fizikos, Chemijos, Matematikos ir informatikos, Medicinos ir Filosofijos fakultetų profesoriai ir docentai. Dalis aukštos kvalifikacijos dėstytojų yra iš kitų institucijų. Be to, Vilniaus universiteto pedagogai ir mokslininkai glaudžiai bendradarbiauja su kitomis Lietuvos (Biotechnologijos, Ekologijos, Botanikos, Matematikos ir kibernetikos, Fizikos institutais; Kauno medicinos, Vilniaus Gedimino technikos universitetais) ir užsienio (Oslo, Kuopio, Oksfordo, Mančesterio, Vakarų Ontario universitetais; Salk institutu) šalių institucijomis, kur būsimieji studentai turės galimybę gilinti savo žinias ir atlikti bendrus mokslinius darbus.

Stojantiesiems būtinas vidurinis išsilavinimas. Konkursinį balą sudaro biologijos, fizikos, matematikos ir lietuvių k. egzaminų pažymiai.

Baigę studijas biofizikos bakalaurai galės dirbti šiuolaikinių aukštų technologijų gamybos įmonėse, įvairiose mokslinėse institucijose, medicinos įstaigose, aplinkosaugos ir ekologijos srityse, švietimo sistemoje arba tęsti studijas biofizikos, neurobiologijos, bioinformatikos, biochemijos, medicinos biologijos, genetikos, ekologijos, aplinkos

studijų ir kt. magistrantūrose.

Kviesdami jaunimą studijuoti biofiziką Vilniaus universitete ir įgyti šiuolaikinę, perspektyvią XXI a. profesiją mes jaučiame pareigą plačiau supažindinti su Lietuvos biofizikų darbais įvairiose aukštosiose mokyklose, mokslinio tyrimo institutuose, medicinos bei gamybinėse įstaigose. Šiuo įžanginiu straipsniu mes kviečiame atsiliepti Lietuvoje ir užsienyje dirbančius mūsų šalies biofizikus ir kituose šio žurnalo numeriuose supažindinti su savo darbais, problemomis, perspektyvomis jaunimui dirbti biofizikos srityje.