«В России смогли распознать физическую сущность земных форм жизни»

Фото из личного архива

Нынешней осенью в жизни физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова произошли сразу три ярких события. Кафедра биофизики была награждена медалью Российской академии наук за работы в области биофизики и в образовании, отмечена наградой Ученого совета МГУ, а заведующий профессор Всеволод Твердислов Указом Президента Российской Федерации Владимира Путина был награжден орденом Дружбы. «КП» решила лично поздравить с заслуженными наградами Всеволода Александровича, который уже более 30 лет возглавляет первую в мире кафедру биофизики у физиков в ведущем вузе страны.

ЧТО ТАКОЕ БИОФИЗИКА

- Всеволод Александрович, от всей души поздравляем Вас с наградами! Расскажите, пожалуйста, что же скрывается за словом «биофизика»? Чего там больше — биологии или физики?

- Искренне благодарю и за поздравления и, по сути, за сакраментальный вопрос. Если о наградах, то они — заслуга всего нашего дружного, умного и интеллигентного коллектива кафедры. Низкий поклон коллегам. Термин «биофизика» в конце XIX века предложил английский математик и биолог Карл Пирсон. При этом первым российским биофизиком, как бы это не показалось неожиданным, является великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов, который еще в середине XVIII века пытался применить теорию эфира для описания распространения нервного импульса. Без преувеличения могу сказать, что биофизика является в значительной степени отечественной наукой. В других странах, на мой взгляд, не хватает общего понимания физической сущности земных форм жизни, их подходы представляются в большой степени узкоспециализированными. Отечественной науке присуща широта подхода к фундаментальному знанию.

Биофизику принято считать разделом биологии, однако это не совсем так. Я бы сказал, что биологию можно рассматривать как часть биофизики. Биофизика изучает физические аспекты и механизмы физических процессов в живых системах, а также раскрывает фундаментальные принципы возникновения, существования и эволюции живых систем. То есть как наука биофизика значительно шире, нежели наука только о живых системах. Биофизика — это естествознание в классическом понимании.

С точки зрения биологии главный признак всего живого — это клетка. Это действительно так. Биологическая система должна быть дискретной (когда отдельные элементы отделены, схожи, но не одинаковы и в процессе эволюции проходят естественный отбор). А вот с точки зрения биофизики основой земных форм жизни является машина.

Главное здание Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Фото: Shutterstock

КАК РАБОТАЮТ «ЖИВЫЕ МАШИНЫ»

- Если честно, звучит как фрагмент фантастической книги…

- Пусть вас не смущает такое утверждение. Речь идет о машине как о некоем устройстве, которое, преобразуя формы энергии, может совершать полезную работу. В случае с организмом полезная работа - это его биологические функции. Геном, например, — машина, которую можно рассматривать как записную книжку, которая умеет не только хранить информацию, но и преобразовывать ее, читая себя и передавая команды в исполняющие устройства клетки, например, в рибосомы, где синтезируются наши белки.

А белки-ферменты — тоже машины, которые преобразуют вещество в ходе метаболизма. Машины-ферменты, машины-рецепторы, пищеварительная система — огромная и сложная иерархия цехов и заводов. В конечном счете в соответствии со вторым законом термодинамики все сводится к производству тепловой энергии. Но при этом некоторые потоки энергии и вещества сами производят регулярные структуры. Это называется самоорганизацией.

В биологии самое интересное — где заканчивается то, что задано генетикой, и где начинается самоорганизация. Генетика определяет конструкцию молекул и клеток, но генетика не контролирует напрямую высокие уровни самоорганизации. Мы научились читать геном человека, но пока не можем создать «искусственную машину», тогда как наши клетки это делают с филигранной точностью.

Мы привнесли в понимание «машины» две основных идеи. Первая, известная, состоит в том, что машины всегда преобразуют формы энергии для совершения полезной работы. И вторая, новая: машина — это устройство, которое сопряженно понижает симметрию. Обычно на вопрос о том, что является вершиной симметричности, большинство отвечает, что шар. Действительно, если ось или центр вращения поместить в центр шара, то, как ни крути шар, он всегда будет шаром. Но если ось поставить не в центре, симметрия сразу нарушается. Самая симметричная вещь — это бесконечное однородное хаотическое пространство. Как ни разрежь это пространство, как его ни поверни, везде все будет одинаково. А самая несимметричная вещь — это вектор. Что делает паровоз? В нем хаотически движутся молекулы пара (бесконечная симметрия), а когда этот пар под давлением попадает в цилиндр с поршнями, получается направленное движение — поршни начинают возвратно-поступательно бегать по цилиндрам (колебательное движение), колеса крутятся (вращательное движение). Благодаря этому направленному движению паровоз везет нас, например, из Москвы в Санкт-Петербург. То есть машина-паровоз понизила симметрию от хаотического пара до направленного векторного движения. И преобразовала химическую энергию, запасенную в дровах, в тепловую энергию и далее в кинетическую энергию поступательного движения. Таким же образом поступают и наши биологические молекулярные машины, умно обходя неэкономные тепловые стадии, работая при постоянной температуре. Мы с вами не тепловые, а электромеханохимические машины. Чудо!

Еще в машинах всегда присутствует иерархичность: есть управляющая и исполняющая части. А в клетках одни и те же элементы могут участвовать и в управлении, и в исполнении. В биологических машинах молекула выступает как конструкция и одновременно является рабочим телом. Из чего же тогда образуется иерархия в клеточной машине? Природа нашла самый удивительный способ: «правость» и «левость». В плоском зеркале шарик будет таким же шариком, кирпич будет таким же кирпичом. А правая рука в зеркале будет левой рукой. В физике есть термин — хиральность. Хиральными объектами называют те, что в зеркальном отображении не могут быть совмещены с оригиналом. Все наши большие молекулы сделаны из правых и левых деталей, все белки сделаны из 20 аминокислот, и всего только одна аминокислота нехиральная. Все остальные аминокислоты левые. А все сахара правые. И вот если посмотреть на структуру белка, получается интересная иерархия. Левая цепочка из аминокислот «сворачивается» в правую спираль, правые спирали сплетаются между собой левым образом, а сами большие молекулы снова скручиваются правым образом.

Эта цепочка смены симметрий и есть самоорганизация, которая создает из заданной цепочки аминокислот машину.

О РОЛИ ВОДЫ

- Какое значение симметрия имеет для воды и водных растворов? Вода — это тоже деталь машины?

- Если чистую воду привязать к хиральным биомолекулам, в ней могут возникать несимметричные хиральные структуры. Все большие молекулы живого — белки, нуклеиновые кислоты, липиды и сахара — хиральны. Нет нехиральных больших молекул. Они все находятся в воде, и вода сама может формировать хиральные структуры, это симметрийный компонент всех живых образований, начиная от малых молекул. Важно отметить, что симметрийный фактор сейчас вместе с водой вошел в фармакологию. Фундаментальные понятия биоструктур и развития — такие, как симметрийность и энергия — оказались сцеплены, и при этом симметрийность как раз определяет пути движения энергии. Сегодня этот принцип используется не только в фундаментальной молекулярной биологии, но и, например, в фармакологии, в том числе в теории воздействий малых концентраций веществ.

- Всеволод Александрович, совсем недавно в Российской академии наук прошла пятая Международная конференция по физике водных растворов. Как постоянный участник конференции, не могли бы Вы рассказать о том, на каком этапе развития сегодня находится направление исследования свойств водных систем?

- В прошлые годы негласный запрет с такого рода исследований и обсуждений был снят. На нынешнем мероприятии ощущалось, что ученые, занимающиеся исследованиями в данном направлении, переходят от формулировок базовых принципов устройства водных систем к работе, направленной на выстраивание стройной и продуманной концепции, использование которой позволит расширить спектр практического применения водных систем. Уже сегодня мы наблюдаем их интеграцию в различные области — от медицины и фармацевтики до биоинженерии.

- На конференции множество докладов было посвящено теме физического воздействия на водные растворы. Чем вызван такой интерес и какие перспективы несут исследования в данном направлении?

- Влияние различных физических факторов на водные системы — одно из важнейших направлений физики водных растворов. Все дело в том, что данная область наиболее хорошо разработана и с недавних пор имеет вполне практические аспекты. Так, учеными были получены новые данные о механизмах действия некоторых лекарственных средств, ранее зарекомендовавших себя в клинике. Оказалось, что действие, например, препаратов высокоразбавленных антител обусловлено сложными биофизическими эффектами, возникающими при специальной обработке водных растворов биологических веществ. Об этом, кстати, уже более 20 лет также пишет в своих научных работах один из профессоров нашей кафедры Валентин Иванович Лобышев. Существуют и другие области, в которых применяются продукты, полученные путем физических (механических, электромагнитных) воздействий на воду. В общем, сегодня данное направление является важным и востребованным.