Основная задача биофизики - изучение функционирования различного рода биосистем в их природном состоянии физическими методами. И если обратиться к истории, то станет ясно: биофизика как наука начала формироваться еще в XIX в., хотя выделение ее в самостоятельную отрасль со своими теоретическими постулатами, терминологией, экспериментами и методами произошло сравнительно недавно.

Сначала традиционная биофизика ограничивалась изучением молекулярного, клеточного и организменного уровней организации живых объектов. В круг проблематики рассматриваемых ею сложных систем входили контроль управления биологическими процессами на уровне конкретного организма, а также изучение действия на организмы физических факторов различной природы. С годами объем биофизических вопросов значительно расширился, что связано с усовершенствованием методов, применяемых для изучения живых объектов.

В России существуют всего два специализированных института, занимающихся проблемами биофизики: Институт биофизики клетки РАН в подмосковном Пущине, организованный в 1952 г. и возглавляемый в настоящее время членом-корреспондентом РАН Г. Р. Иваницким, и красноярский Институт биофизики СО РАН (директор - член-корреспондент РАН А. Г. Дегерменджи). Однако биофизические исследования экологической направленности проводят только в последнем. И хотя первые осуществленные в нем работы были связаны с изучением популяций отдельных групп клеток, сами методы, применяемые для их анализа, были логично перенесены на более крупные биологические системы.

Институт биофизики СО РАН начинался с лаборатории одноименного названия, созданной в 1957 г. После того как ее работники развили несколько новых научных направлений, 1 июля 1981 г. было решено организовать самостоятельный институт во главе с его первым директором академиком И. А. Терсковым.

Сегодня в институте 9 лабораторий и два отдела, исследования которых объединены общим направлением. Научный потенциал представлен высококвалифицированными сотрудниками, среди них 1 академик, 1 член-корреспондент РАН, 15 докторов и 45 кандидатов наук.

Первыми работами, положившими начало становлению биофизической науки в Красноярске, стали исследования академика И. А. Терскова и члена-корреспондента АН СССР (впоследствии - академика) И. И. Гительзона по изучению закономерностей функционирования популяций клеток крови. Такой подход был распространен далее на одноклеточные организмы и послужил основой для развития теории и техники непрерывного культивирования микроводорослей и бактерий в управляемых условиях. Красноярскими учеными, таким образом, было сформировано получившее дальнейшее развитие новое направление в биофизике надорганизменных систем, открывшее перспективу интегрального подхода к диагностике состояния биологических систем различного уровня организации и сложности.

Теоретики и экспериментаторы показали возможность создания устойчиво функционирующих биофизических систем непрерывного биосинтеза. В них рабочим телом служили живые организмы, а управление режимом их функционирования осуществлялось автоматизирование по показаниям датчиков состояния организмов и среды обитания. Это позволило за сравнительно короткий срок создать автоматизированные биотехнические системы параметрически-управляемого биосинтеза организмов различного уровня - низших и высших фототрофов, литоавтотрофных и гетеротрофных бактерий, дрож-

стр. 37

жеи, простейших, высших растений, изолированных органов и тканей, а также искусственных биоценозов и микроэкосистем.

На основе проточных экспериментальных систем была создана теория устойчивости и управляемости составом микробных сообществ, доказаны теоремы о связи числа сосуществующих популяций с контролирующими рост биохимическими факторами, сформулированы критерии оценки межпопуляционных метаболических взаимодействий, выведен энергетический принцип микроэволюции микробных популяций.

Полученные результаты исследований продемонстрировали возможность реализации огромного потенциала генетически обусловленной программы роста и биосинтеза организмов при максимальной интенсивности. А на базе параметрического управления биосинтезом была создана действующая замкнутая система жизнеобеспечения человека (СЖО). Основная цель экспериментов с ее использованием - изучение закономерностей функционирования биосферы. В практическом же отношении СЖО обеспечивают высокое качество жизни человека в космосе, а также в экстремальных условиях полярных широт, пустынь, высокогорья, подводных работ и др. Институт биофизики СО РАН - пионер в исследованиях с использованием замкнутых экологических систем.

Система "БИОС" - гордость не только института, но и отечественной науки. В 1964 г. с ее помощью впервые была осуществлена замкнутая по газообмену двухзвенная система жизнеобеспечения "человек-хлорелла", в 1965-м реализовано замыкание по воде, в 1968-м проведены первые эксперименты в трехзвенной системе "человек-микроводоросли-высшие растения". На основе этих результатов был создан экспериментальный комплекс "БИОС-3", представляющий собой замкнутую экологическую систему жизнеобеспечения человека с автономным управлением. Эксперименты в "БИОС-3" при участии двух-трех человек достигли полугодовой длительности при полном замыкании системы по газу и воде и воспроизводстве пищи до 80% от потребностей экипажа.

Основная фундаментальная цель этой системы - изучение механизмов устойчивости биологического круговорота веществ в биосфероподобных экспериментальных системах и разработка методов управления интенсивностью и коэффициентом замкнутости круговорота. Можно ожидать, что прагматический интерес к созданию замкнутых экосистем, включающих человека, будет нарастать в связи с освоением океана, космоса и вообще созданием автономных жилищ.

Особое место в тематике красноярцев занимают исследования морских светящихся микроорганизмов и явления биолюминесценции под руководством академика И. И. Гительзона.

Первоначально основным объектом для ученых были светящиеся бактерии, исследование которых проходило чрезвычайно интенсивно и по многим направлениям - от географии обитания в море и моделей симбиоза с животными до тонких деталей молекулярной организации светоизлучающей системы и генетического механизма ее регуляции.

Собранные рядом экспедиций данные доказали: светящиеся бактерии распространены по всему Мировому океану - от тропических до полярных широт и от поверхностных слоев до глубин в несколько тысяч метров. В большинстве случаев - это обитатели моря. Светящиеся бактерии были выделены свободноживущими из морской воды, с поверхности тел морских животных и из кишечников рыб, либо как симбионты внутренней и внешней микросреды рыб и головоногих моллюсков.

В 1987 г. в Институте биофизики СО РАН был открыт отдел биотехнологии. Главной его задачей стала организация и обслуживание созданной еще в 60-е годы единственной в России коллекции культур светящихся бактерий. Проведены исследования их свойств, установлены закономерности излучения бактериальной клетки. На основе лиофилизированных светящихся бактерий и выделенной из них люциферазной ферментной системы предложены методы экспрессного биолюминесцентного анализа для медицины, контроля состояния природной среды и управления биотехнологическими процессами.

Одна из грядущих экологических проблем, признанная мировым сообществом в 1992 г. на конференции ООН в Рио- де-Жанейро, - опасность уменьшения биоразнообразия. С точки зрения функциональной экологии в числе отрицательных последствий этого может быть нарушение циклов естественного круговорота веществ, "выпадение" трофических звеньев, особенно среди редуцентов ксенобиотиков. Поэтому основной вопрос формулируется так: при каком минимальном разнообразии видов возможен устойчивый круговорот веществ и каковы механизмы такого биологического замыкания? Знание устройства замкнутой экосистемы с минимальным разнообразием будет служить своего рода параметром "нижнего предела разнообразия" (НПР), ниже которого выживание биосферы будет невозможно.

"Природной лабораторией" для изучения проблемы НПР биофизиками института могут служить экосистемы соленых озер юга Сибири, имеющих чрезвычайно низкое видовое разнообразие.

Особенно эффективные результаты будут получены при исследовании круговорота серы в экосистеме лечебного озера Шира (около 15 видов), имеющего 100-летнюю историю наблюдений за динамикой химического состава воды. Обобщение собственных полевых данных и построение прогнозной математической модели круговорота серы сотрудникам института позволит:

- построить математическую модель круговорота основных элементов (C-N-S-P) в системе "поверхность-толща воды- дно";

- выяснить условия устойчивости циклов основных элементов по отношению к типичным природным условиям (режим освещения, антропогенные стоки, потоки на границах фаз и др.);

- связать "цветение" водорослей с циклом серы;

- установить связь стратификации сероводородной зоны и органической нагрузки на озеро;

стр. 38

- выработать экологически эффективные сценарии сохранения экосистемы Ширы и других озер Хакасии.

Принятие решения по природоохранным мероприятиям применительно к озеру требует, в первую очередь, знаний о сравнительной экологической эффективности всех предлагаемых сценариев водопользования. Биофизический подход предлагает решать такие задачи прогноза через создание математической модели озера и оценки на ее основе эффективности всех мыслимых сценариев. Это должно привести к ранжированию экологической эффективности водоохранных предложении и последовательности их реализации (уже с учетом оценки экономических затрат).

Принципиальным моментом в таком подходе является не абстрактное моделирование, а органическое сочетание теоретических, экспериментальных и полевых результатов исследования для прогнозирования качества воды в водоемах при различных сценариях водопользования. Полевой стационар института на берегу Ширы может служить примером или началом организации постоянной химико- биологической станции по контролю других озер Хакасии.

Так, при прогнозировании "цветения" Кантатского водохранилища был получен контринтуитивный результат - модель "утверждала": основная схема ограничения уровня "цветения" водорослей должна быть связана не с уменьшением поверхностного стока, а с блокированием выхода фосфора из донных осадков. К такому характеру выводов классическая экология без принципиального участия биофизики самостоятельно прийти никогда не сможет.

Уже несколько лет в институте ведут исследования, основная цель которых заключается в оценке масштаба радиоактивного загрязнения реки Енисей на основании анализа

стр. 39

проб, отобранных на разном расстоянии по ее течению от горно-химического комбината Минатома РФ. Сотрудники экспериментально оценивают скорость поглощения и выделения радионуклидов различными видами водных организмов в лабораторных условиях методом внесения радиоактивных соединений, в том числе трансурановых.

Существенным объектом экологической биофизики являются микроорганизмы - одно из основополагающих звеньев биосферы. В институте с момента его основания ведут биотехнологические разработки, которые реализуются в нескольких направлениях. В первую очередь речь идет об исследованиях, связанных с возможностью осуществления биосинтеза биоразрушаемых полимеров. Открытые в 50-е годы и малоизученные микроорганизмы с уникальным типом метаболизма (хемолитоавтотрофные водород-, СО- и железоокисляющие бактерии) в 70-е годы стали объектом активного изучения. На основе этих микроорганизмов в институте разработаны уникальные эффективные биосистемы получения белка одноклеточных и разрушаемых термопластичных биополимеров. Одно из преимуществ предложенной методики - получение полимеров в результате бактериального хемосинтеза на водороде. Здесь показано: полиоксиалканоаты могут быть использованы не только в пищевой промышленности (упаковочный материал), но и в медицине (трансплантация органов, шовный материал), радиоэлектронике, приборостроении.

В Красноярске активно ведут разработки, связанные с проблемой очистки сточных вод, бактериального выщелачивания руд, что тоже будет востребовано человечеством еще не один десяток лет. Исследования функционирования сообществ микроорганизмов и простейших как микробиологического барьера для предупреждения загрязнения окружающей среды легли в основу созданных и имеющих практическое применение технологий биодеградации фенолов, соединений нафталинового ряда, анионогенных поверхностно-активных веществ в промышленных сточных водах.

Для изучения круговорота вещества в замкнутых экосистемах создана экспериментальная модель трансформации растительных отходов в системе, включающей высшие растения, грибы, черви и микроорганизмы. Разработана технология переработки растительных отходов в почвоподобный субстрат (биогумус). Для исследования и отладки технологий очистки промышленных стоков, бактериального выщелачивания металлов создаются специальные установки по реализации интенсивных процессов, в том числе, опытно-промышленные.

Развитие биотехнологии тесно связано с широким использованием рекомбинантных ДНК и может способствовать решению многих актуальных проблем в сельском хозяйстве, здравоохранении и защите окружающей среды. Однако при случайной интродукции трансгенных микроорганизмов (ТМ) в природные экосистемы может произойти неконтролируемое распространение рекомбинантных генов. К тому же, даже при целенаправленной интродукции ТМ необходимый положительный эффект достигается не всегда. В институте разрабатывают комплексный подход к исследованию ТМ, направленный на оценку риска использования модифицированных микроорганизмов и их возможного влияния на функционирование экосистем.

В Красноярске успешно развивается экологическая биофизика с прицелом в ближайшей перспективе решить несколько актуальных проблем. Среди них: теоретико- экспериментальное решение проблемы подобия и масштабирования экосистем, включая биосфероподобные системы; развитие экспериментально-теоретических подходов в моделировании биосфероподобных систем и выяснение специфики законов устойчивости систем с биологическим круговоротом; моделирование круговорота веществ в реальных водных экосистемах; формулирование иерархии законов замыкания от одноклеточных симбионтов ("зоохлорелла") до биосферы. В этом же ряду становление нового направления по управлению состоянием водных экосистем (управление "цветением") посредством интродукции новых видов (так называемое биоманипулирование); развитие методов дистанционного зондирования водных экосистем, сопряженное с методами математического моделирования динамики экосистем; завершение создания прогнозной модели радиоэкологического состояния реки Енисей, основанной как на экспедиционных данных прошлых лет (Лимнологического института СО РАН), так и на современных радиационных полевых и экспериментальных данных.

Сотрудниками института обоснована возможность непрямого подхода к диагностике состояния больших природных экосистем путем измерения возмущений, вносимых в физические поля природной среды естественными процессами, происходящими в биосфере, а также в результате антропогенных воздействий. Для дистанционного измерения оптических характеристик водных масс и растительных сообществ разработана и построена специальная аппаратура, позволяющая со скоростью движения носителя получать информацию о первичной продуктивности морских биоценозов, сельскохозяйственных посевов, лесов, о загрязнении вод.

Исследования на Енисее, Байкале, Каспии, в Тихом и Индийском океанах показали пригодность методов, предложенных красноярскими учеными, для различных гидрооптических условий. На этой основе сформированы научно-социальные проекты "Экология величайших рек мира", "Зеленая волна", программы "Хлорофилл в биосфере", "Чистый Енисей", поддержанные Гидрологическим обществом при ЮНЕСКО, Рабочей группой "Науки о Земле" РАН, Национальной астронавтической федерацией США и др.

"Наука в Сибири", 2001 г.

Материал подготовил В. Б. ГОЛЬДМАН

Permanent link to this publication: