Физика и жизнь. На стыке наук рождаются истины.

Первая российская конференция “Физика — наукам о жизни”, прошедшая в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН, была в каком-то смысле этапной: союз физиков и математиков (представителей точных наук) с биологами и медиками (представителями наук “жизненных”) существует уже не одно десятилетие, плоды его разнообразны и обильны. Хрестоматийный труд Эрвина Шрёдингера “Что такое жизнь с точки зрения физики” был опубликован еще в 1945 году. Именно он вдохновил Уотсона и Крика на открытие двойной спирали ДНК, которое, кстати, не состоялось бы без метода рентгеноструктурного анализа, разработанного физиками.

Физико-технический институт (ФТИ), хотя, в основном, и “твердотельный”, но междисциплинарные исследования с биологами и медиками для него не в новинку. Есть версия, что согласие на создание института в Петрограде было получено после покушения Фанни Каплан на Ленина в августе 1918 года, когда было осознано значение рентгеновской диагностики. Уже 23 сентября был основан Рентгенологический и радиологический институт с физико-техническим отделом, который потом выделился в самостоятельную организацию.

Физтех всегда был нацелен не только на фундаментальные, но и на прикладные исследования национального масштаба, будь то работы по ядерной физике, проекты оборонного значения или развитие полупроводниковых технологий. Сегодня, когда следующую научно-техническую революцию ждут в области наук о жизни, поворот в сторону живых систем естественен.

Впрочем, петербургская конференция менее всего была посвящена историческим прецедентам. Цель организаторов (ФТИ при поддержке ФАНО и РФФИ) прояснил директор института член-корреспондент РАН Андрей Забродский. Она состояла в том, чтобы объединить физиков, уже подключившихся к проблематике наук о жизни, с биологами и медиками, которые поняли, что дальнейший прогресс в работе требует использования в том числе физических методов и подходов с их богатым техническим арсеналом. Причем речь идет об исследованиях на всех уровнях сложности: от молекулярных и клеточных структур до осмысления деятельности мозга и сознания.

Количественный итог конференции, которую планируется сделать ежегодной, — 29 секционных и почти полтораста стендовых докладов (более 60 из них представили молодые ученые), свыше 150 участников из 10 городов России и из-за рубежа. Перед ее открытием состоялась однодневная школа молодых ученых, которая ввела их в суть обсуждаемых проблем. 

Качественным итогом этих пяти дней могут служить два вывода. Первый — физики и биологи способны договориться, когда речь идет о решении конкретных задач, и результаты этого союза чаще всего совершенно потрясающие. Второй — водораздел между физикой и биологией гораздо глубже, чем кажется со стороны.

— В физике мы привыкли двигаться от теории к эксперименту и обратно, — комментирует заместитель председателя оргкомитета конференции, заведующий лабораторией ФТИ Сергей Лушников. — Есть некоторая, безусловно, упрощенная модель явления, построенная на теории, которая проверяется экспериментально, и если она не проходит проверку, то мы меняем теорию, развивая ее. В биологии физик почти не видит привычных моделей и законов, которые обладают большой предсказательной силой. Поэтому с чего начинает физик, сталкиваясь с биологической проблемой? Старается корректно сформулировать вопрос, на который сможет дать адекватный ответ.

Разумеется, биологи вряд ли согласятся с тем, что в их науке нет законов. Но в чем участники были почти единодушны: законы биологии носят иной, по сравнению с физическими, характер, а сами объекты, с которыми работают биологи и медики, на порядки сложнее. Попытка связать два понимания природы, начиная с микромира, и есть программа-максимум междисциплинарных подходов.

Микромир, этот “нижний уровень” природы, структура и динамика биологических молекул — исключительно богатое поле для сотрудничества. Методы исследования, которыми располагают физики, понимание динамики атомов и молекул и развитый математический аппарат позволяют буквально разглядеть процессы, которые лежат в основе работы живой клетки.

Сергей Лушников, в частности, исследует фазовые переходы в сложных биологических молекулах, или биополимерах (например, в белках и ДНК), с помощью колебательной спектроскопии. Известно, что низкочастотные колебания таких молекул отражают особенности их структуры и ее изменений, а это, в конечном счете, определяет и биологические функции молекулы. 

В экспериментах иногда проявляются некоторые не совсем ожидаемые вещи. Так, оказалось, что ДНК после нагрева, когда двойная спираль расходится и превращается в одноцепочечную нить (этот процесс называют также плавлением или денатурацией), проявляет бóльшую симметричность, чем в своем естественном состоянии. Между тем ранее считалось, что денатурированная ДНК представляет собой беспорядочный клубок. Возможно, говорит физик, денатурация идет не совсем так, как мы думали, и на самом деле ДНК укладывается в определенные динамические структуры, напоминающие стопку бумаги. Однако это еще требует теоретического объяснения и экспериментальных исследований.

— Изучив динамику, то есть особенности движения биологических молекул: белков, ДНК и РНК, мы смогли раскрыть, как на нее влияют растворы различных веществ. После этого нам удалось разработать такие растворы, в которых белки при комнатной температуре могут сохраняться живыми, — рассказывает профессор университета Теннесси и сотрудник Окриджской национальной лаборатории (США) Алексей Соколов (на верхнем снимке). — Если в нормальных условиях белки деградируют всего за две-три недели, то в предложенном нами растворе (это смесь особого сахара — трихалозы и глицерина) они могут оставаться активными до 10 лет. Если такой метод удастся использовать для сохранения клеток и тканей, то станет вполне очевидным его прикладное значение: сохранение органов для трансплантации, лекарств, продуктов и многих других веществ.

Физики и химики активно включились в создание диагностических и терапевтических методик, лекарств и способов их адресной доставки, вплоть до конкретной клетки пациента. Красивый пример того, как физика и математика позволяют оперативно оценить общее состояние человека, когда времени на диагностику очень мало, привел Константин Лебединский, заведующий кафедрой Северо-Западного государственного медицинского университета им. И.М.Мечникова. Разработанный им и его коллегами математический метод базируется на идее о том, что состояние организма можно оценить по количеству энергии, которое он производит. Обычно для этого проводятся лабораторные анализы, что громоздко и долго. Исследователи пытаются получить ту же информацию путем специальной обработки ЭКГ, ЭЭГ и других “стандартных” данных об основных физиологических ритмах человека. 

Попытки описать живой организм языком физики или математики — шаг на следующие этажи биологии, где исследуются взаимодействия молекул в рамках живой клетки и клеток между собой, функционирование организма как целого и, наконец, работа мозга и мышление. Правда, как сформулировал научный руководитель Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН Генрих Иваницкий, до сих пор все “потуги” понять работу мозга сводились к замене одного языка описания на другой, более изощренный и свойственный физике данного времени. 

Однако усилия биологов, физиологов и физиков были отнюдь не бесплодными, благодаря им появились такие понятия, как “нейронные сети” и “искусственный интеллект”, которые, как это ни парадоксально, к реальному мышлению и устройству человеческого мозга имеют, видимо, лишь опосредованное отношение. Современные томографы позволяют хорошо разглядеть активность мозга, но исследователи уже натолкнулись на инструментальный барьер — например, сложно повысить мощность этих аппаратов из-за риска повлиять на самого исследуемого. Есть лакуны и в методологии, которой сегодня пользуются исследователи мозга.

— Подходы, используемые для обработки данных о физиологической активности мозга, не соответствуют основным принципам его функционирования — изменчивости работающих систем при внешне одинаковом поведении, — говорит директор Института мозга человека им. Н.П.Бехтеревой РАН Святослав Медведев. — Важно учитывать системную организацию мозга: структуру связей и характер взаимовлияний.

Вопросов пока больше, чем ответов, и, чтобы изменить ситуацию, нужны не только новые исследования, но и общий язык, который объединит ученых из разных областей науки. Размышлений и соображений на этот счет было высказано немало.

А вот чего на конференции практически не было — так это жалоб на современное состояние российской науки. В негативном ключе говорили только об одной проблеме, общей для всего научного мира, — повсеместном преобладании грантового принципа финансирования. И физики, и биологи сошлись на том, что конкуренция за гранты губительна для междисциплинарных исследований, где и сам предмет изучения, и возможные результаты трудно определимы в количественных показателях и бюрократических терминах. 

— Конференция должна помочь участникам установить связи, “зацепиться” за интересные факты, мысли, гипотезы и, возможно, найти новую мотивацию в работе, — говорит Андрей Забродский. — Каждый доклад или тезис рождает в голове массу эмоций и ассоциаций. Это примерно как съездить в экзотическое путешествие в далекую страну, будучи в зале Физтеха. Именно эмоции остаются в памяти и делают жизнь ученого насыщенной.