Исследования по молекулярной Б. тесно связаны с биохимией, генетикой и цитологией, молекулярной биологией.
Значительное место в молекулярной Б. занимает проблема возбуждённых состояний молекул в биологических системах; такие молекулы приобретают высокую химическую активность. Наиболее изучены возбуждённые состояния, возникающие на первичной стадии фотобиологических процессов - фотосинтеза , зрения и биолюминесценции .
Оригинальным направлением в отечественной Б. можно считать изучение сверхслабого ультрафиолетового свечения биологических систем ( митогенетического излучения , А. Г. Гурвич, 1923-48). В 30-е гг. Г. М. Франк и С. Ф. Родионов разработали физический метод обнаружения сверхслабых свечений биологических объектов. Успехи в разработке методов регистрации сверхслабых световых потоков с помощью фотоэлектронных умножителей привели в 50-х гг. 20 в. к открытию сверхслабого свечения ряда животных и растительных объектов в видимой области спектра. Была показана связь этого свечения с рекомбинацией свободных радикалов. А. Н. Терениным с сотрудниками были исследованы механизмы элементарных фотофизических процессов с участием пигментов, указана роль состояний молекул, открыт механизм миграции энергии в них при фотохимических реакциях, изучен механизм люминесценции белков (1950-65). А. А. Красновский открыл и исследовал реакцию обратимого фотохимического восстановления хлорофилла и его аналогов (1949-60). Эти работы способствовали развитию биологической фотохимии.
В одном из важных разделов Б. рассматривается превращение энергии в живых организмах, начиная с превращения и миграции энергии на молекулярном уровне и кончая энергетическим балансом целого организма (см. Биоэнергетика ). Исследование взаимной трансформации химической и механической энергии при сокращении мышечного волокна, молекулярные механизмы движения ресничек и жгутиков у простейших, движения протоплазмы и клеточных органелл стали предметом изучения механохимии, находящейся на стыке биохимии и молекулярной Б. В 1938 в работе советских учёных В. А. Энгельгардта и М. Н. Любимовой, изучавших механизм мышечного сокращения, было впервые продемонстрировано наличие прямой связи между механическими и химическими процессами. В дальнейшем эти работы были развиты американским учёным А. Сент-Дьёрдьи.
Традиционный раздел Б. - изучение физико-химических свойств клетки и проницаемости биологических мембран для различных веществ. Всё большее значение приобретают проблемы моделирования искусственных мембран и активного транспорта ионов . Одним из примеров практического применения знаний, полученных в этой области Б., биохимией и физиологией, является создание искусственной почки .
Важной проблемой Б. является изучение биоэлектрических явлений. В этой области Б. тесно связана с физиологией (см. Биоэлектрические потенциалы ). Исследования показали, что между наружной и внутренней средой каждой живой клетки поддерживается разность потенциалов около 0,1 в.Её источник - создаваемый клеткой ионный градиент между наружной и внутриклеточной средой. Эти данные послужили основой для создания мембранной теории генерации потенциалов в клетке, выдвинутой в начале века немецким учёным Д. Бернштейном и экспериментально обоснованной в 50-60-е гг. работами английских учёных А. Ходжкина, А. Хаксли и Б. Каца, изучавших изменение проницаемости мембраны нервного волокна и ионные потоки в нерве при возбуждении (см. Мембранная теория возбуждения ). Значительное место занимают также исследования других физико-химических свойств клеток - вязкости, оптических свойств, их изменений при различных физиологических состояниях и тех или иных воздействиях.
Биофизические закономерности, свойственные организму в целом, рассматриваются в соответствующих разделах биоэнергетики (изучение механизма теплоотдачи , теплоизоляции, теплопродукции , скорости охлаждения при различных условиях и т.п.).
Б. процессов управления неразрывно связана с кибернетикой биологической и биомеханикой.Созданию систем управления, выяснению принципов управления движениями животных и человека положили начало исследования советского учёного Н. А. Бернштейна. Он первым приступил к изучению обратной связи в биологических системах (1934). Изучение биомеханики движений (ходьба, бег, трудовые движения и др.), дыхания и кровообращения имеет исключительную важность в связи с вопросами физиологии труда и спорта, космическими полётами, а также для изучения причин сердечных и сосудистых заболеваний и создания аппаратов искусственного дыхания и кровообращения.
Биофизические исследования ведутся в СССР во многих научных учреждениях, в частности в институте биофизики АН СССР, институте цитологии АН СССР, институте молекулярной биологии АН СССР, на кафедрах биофизики в МГУ, ЛГУ и в других учреждениях. Одна из первых в мире кафедр Б. была основана в МГУ в 1953 Б.Н. Тарусовым. Исследования по Б. и подготовка кадров ведутся во многих странах мира. Великобритания - Лондонский университет, Институт молекулярной биологии, Кембридж; Венгрия - университет в г. Печ; ГДР - Институт биологии и медицины, Берлин; Израиль - Институт Вейцмана, г. Реховот; Индия - Институт кристаллографии, молекулярной биологии и ядерной физики в Дели и университет в Мадрасе; КНР - Институт биофизики, Пекин; Польша - Варшавский университет и Институт биохимии и биофизики АН ПНР; Румыния - Институт биофизики, Бухарест; США - Йельский университет, Массачусетсский технологический институт, Калифорнийский университет, Гарвардский университет, Рокфеллеровский институт и многое др.; Франция - Институт физико-химической биологии в Париже, Институт макромолекулярных исследований в Страсбуре и др.; ФРГ - Институт биофизики общества М. Планка, Франкфурт-на-Майне, Институт биологической и медицинской физики при Гёттингенском университете и др.; Чехословакия - Институт биофизики в Брно, Пражский университет; Швеция - Отделение биофизики при Нобелевском институте в Стокгольме; Япония - университет в Осака, Институт белка, там же, Токийский университет.
На 1-м Международном биофизическом конгрессе, состоявшемся в Стокгольме в 1961, был создан Международный союз теоретической и прикладной биофизики, в центральный совет которого входят представители СССР.
Периодические издания, в которых публикуются работы по Б.: «Биофизика» (М., 1956-); «Молекулярная биология» (М., 1967-); «Радиобиология» (М., 1961-); «Advances in Biological and Medical Physics» (N. Y., 1948-); «Biochimica et Biophysica Acta» (N. Y.- Amst., 1947-); «Biophysical Journal» (N. Y., I960-); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi, 1939-); «Journal of Cell Biology» (N. Y., 1962-; в 1955- 1961 наз.-»Journal of Biophysical and Biochemical Cytology»); «Journal of Molecular Biology» (N. Y.-L., 1959-); «Journal of Ultrastructure Research» (N. Y.-L., 1957-); «Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (L., 1950-).
Лит.:Бернштейн Н. А., О построении движений, М., 1947; Лазарев П. П., Сочинения, т. 2, М.- Л., 1950; Бреслер С. Е., Введение в молекулярную биологию, М. -Л., 1966; Молекулярная биология. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1963; Пасынский А. Г., Биофизическая химия, М., 1963; Аккерман Ю., Биофизика, пер. с англ., М., 1964; Вопросы биофизики. Материалы I Международного биофизического конгресса. Стокгольм, июль - август 1961, М., 1964; Сетлоу Р., Поллард Э., Молекулярная биофизика, пер. с англ., М., 1964; Волькенштейн М. В., Молекулы и жизнь. Введение в молекулярную биофизику, М., 1965; Биофизика, М., 1968; Casey Е., Biophysics. Concepts and mechanisms, N. Y.-L., 1962; Physical techniques in biological research, v. 1-5, N. Y., 1955-64.
Б. Н. Вепринцев.
Биофильтр
Биофи'льтр, сооружение для биологической очистки сточных вод. Представляет собой круглый или прямоугольный в плане резервуар с двойным дном, наполненный фильтрующим материалом (котельный шлак, гранитный щебень, гравий, керамзит и др.). Расстояние между днищами не менее 0,4 м.Высота фильтрующего слоя 1,5-2 м.; крупность зёрен фильтрующего слоя 30-50 мм, нижнего подстилающего слоя - 60-100 мм.При прохождении сточной воды через фильтрующий материал на его поверхности образуется биологическая плёнка из скоплений бактерий, грибков, окисляющих и минерализующих органические вещества сточной воды. Окислительная мощность Б. определяется опытным путём. См. Биологическая очистка сточных вод.
Биохимии институт
Биохи'мии институ'тим. А. Н. Баха АН СССР. Организован в Москве в 1935 по инициативе А. Н. Баха и А. И. Опарина.Основная задача Б. и. - изучение процессов обмена веществ и энергии в живых организмах и способов управления процессами обмена. В числе важнейших проблем, разрабатываемых Б. и.: биология ферментов, механизм их действия в живой клетке и поведение в автолитических смесях; биологическая фиксация азота; обмен аминокислот у растений и микроорганизмов; биологическое окисление; роль фосфорных соединений в дыхательных процессах; природа первичных процессов, происходящих при фотосинтезе в растениях и бактериях; биохимия фитоиммунитета; биосинтез и механизм действия витаминов; химия и биохимия углеводов; эволюционная биохимия и радиобиология. Важное значение имеют работы А. И. Опарина по проблеме возникновения жизни на Земле.
Исследования, выполненные в Б. и., нашли применение в народном хозяйстве и способствовали усовершенствованию ряда старых и возникновению новых отраслей промышленности. Например, выяснена биохимическая сущность изменений, происходящих в процессе хранения зерна и его переработки. Предложены и внедрены в промышленность способы получения препаратов витаминов A, B 12для медицинских целей и для кормовых концентратов; разработан и внедрён в производство микробиологический метод получения L-лизина в кристаллическом виде и в виде кормового концентрата, содержащего 15-18% лизина, и др. К началу 1970 в Б. и. было 14 лабораторий. Труды сотрудников Б. и. публикуются преимущественно в журналах: «Биохимия», «Доклады АН СССР», «Известия АН СССР», «Прикладная биохимия и микробиология», в тематических сборниках и в виде монографий. Б. и. имеет аспирантуру. В 1967 награжден орденом Ленина.
Н. Н. Дьячков.
Биохимическая очистка
Биохими'ческая очи'сткасточных вод, см. Биологическая очистка сточных вод.
Биохимическое общество
Биохими'ческое о'бществоВсесоюзное (ВБО), научное общество, объединяющее советских учёных, работающих в области биохимии.Организовано в 1958 при АН СССР. Отделения общества имеются в союзных и автономных республиках, краях и городах СССР. В 1959 насчитывалось 1570 членов общества, в 1964 было 3500, а в 1970 в его состав входило 15 республиканских обществ и 53 городских отделения, объединивших свыше 6500 биохимиков.
Основные задачи общества: содействие развитию в СССР всех отраслей биохимии, оказание членам общества помощи в повышении квалификации, научной и методической помощи в постановке преподавания биохимии в высшей и средней школе; популяризация и пропаганда знаний и новейших научных и практических достижений в биохимии, содействие развитию научных связей с зарубежными учёными и т.д. Общество проводит конгрессы, съезды, конференции по различным разделам биохимии; циклы лекций, доклады, семинары для повышения квалификации своих членов, осуществляет научные связи с другими научными обществами, издаёт ежегодник «Успехи биологической химии» (с 1950), труды биохимических съездов, конференций, симпозиумов; ВБО - член Международного биохимического союза, а также федерации Европейских биохимических обществ.
В 1959 на делегатском съезде ВБО был принят устав общества и избран Центральный совет. Президенты общества - А. И. Опарин (1958-64), А. В. Палладин (1964-69), С. Е. Северин (с 1969).
Лит.:Будницкая Е. В., Во Всесоюзном биохимическом обществе, «Биохимия», 1959, т.24, в. 3; 1964, т. 29, в. 4: Первый Всесоюзный биохимический съезд, там же, 1966, т. 31, в. 3.
А. А. Лизандр.
Биохимия
Биохи'мия,биологическая химия, наука, изучающая состав организмов, структуру, свойства и локализацию обнаруживаемых в них соединений, пути и закономерности их образования, последовательность и механизмы превращений, а также их биологическая и физиологическая роль. В зависимости от объекта исследования Б. подразделяют на Б. микробов, растений, животных и человека. Это подразделение условно, т.к. в составе различных объектов и в протекающих в них биохимических процессах много общего. Поэтому результаты исследований, проведённых на микробах, растительных или животных тканях и клетках, взаимно дополняют и обогащают друг друга. Тесно связаны между собой и разные направления биохимических исследований, однако принято делить Б. на статическую, занимающуюся преимущественно анализом состава организмов, динамическую, изучающую превращения веществ, и функциональную, выясняющую, какие химические процессы лежат в основе различных проявлений жизнедеятельности. Это последнее направление исследований иногда выделяют под специальным названием физиологическая химия.
Вся совокупность химических реакций, протекающих в организмах, включая усвоение веществ, поступающих извне ( ассимиляция ), и их расщепление ( диссимиляция ) вплоть до образования конечных продуктов, подлежащих выделению, составляет сущность и содержание обмена веществ-главного и постоянного признака всего живого. Понятно, что изучение обмена веществ во всех деталях - одна из основных задач Б. Биохимические исследования охватывают очень широкий круг вопросов: нет такой отрасли теоретической или прикладной биологии, химии и медицины, которая не была бы связана с Б., поэтому современная Б. объединяет ряд смежных научных дисциплин, ставших с середины 20 в. самостоятельными.
Накопление биохимических сведений и формирование Б. в 16-19 вв.Б. сформировалась как самостоятельная наука в конце 19 в., хотя истоки её относятся к далёкому прошлому. С 1-й половины 16 в. и до 2-й половины 17 в. свой вклад в развитие химии и медицины вносили ятрохимики (химики-врачи): немецкий врач и естествоиспытатель Ф. Парацельс, голландские учёные Я. Б. ван Гельмонт, Ф. Сильвий и др., занимавшиеся исследованием пищеварительных соков, жёлчи, а также процессов брожения (см. Ятрохимия ). Сильвий, прославленный врач, придавал особенно большое значение правильному соотношению в организме человека кислот и щелочей; он полагал, что в основе многих, если не всех, болезней лежит расстройство этого соотношения. Большая часть принятых ятрохимиками положений была наивной, полной заблуждений; однако нельзя забывать, что научной химии тогда ещё не существовало. Наиболее общей теорией, господствовавшей в науке того времени, была теория т. н. флогистона.Тем не менее балансовые опыты на человеке с точным учётом массы тела и выделений были проведены итальянским учёным С. Санторио в начале 17 в. Эти опыты привели к описанию «perspiratio insensibilis» - потери массы за счёт «нечувствуемого пропотевания».
Великие открытия в области физики и химии 18 и начала 19 вв. (открытие ряда простых веществ и соединений, формулировка газовых законов, открытие законов сохранения материи и энергии) заложили научный фундамент общей химии. После открытия в составе воздуха кислорода голландский ботаник Я. Ингенхауз смог описать постоянное образование растением СО 2и выделение на солнечном свету зелёными частями растения кислорода. Опытами Ингенхауза было положено начало исследованию дыхания растений и процессов фотосинтеза , детальное изучение которых продолжается и в настоящее время.
В конце 1-й четверти 19 в. было известно очень ограниченное количество органических веществ. В учебнике немецкого химика Л. Гмелина, изданном в 1822, упоминается лишь 80 органических соединений. Задачи и возможности органической химии в то время оставались неясными. Шведский учёный И. Берцелиус считал, что органические тела разделяются на два четко разграниченных класса - на растения и животные; сущность живого тела основана не на его неорганических элементах, а на чём-то ином. Это нечто, что он называет «жизненной силой», лежит целиком за пределами неорганических элементов. Берцелиус выражает сомнение в том, что люди когда-либо сумеют искусственно производить органические вещества и подтвердить анализ синтезом (1827). Несостоятельность таких типичных для витализма позиций выявилась очень скоро. Уже в 1828 немецкий химик Ф. Вёлер, ученик Берцелиуса, получил синтетическим путём мочевину , описанную в 18 в. французским учёным Г. Руэлем в качестве составной части мочи млекопитающих. Вскоре последовали синтезы других как природных органических соединений, так и искусственных, неизвестных в природе. Т. о. рушилась стена, отделявшая органические соединения от неорганических.
Начиная со 2-й половины 19 в. органическая химия становится всё больше химией синтетической, усилия которой направляются на получение новых соединений углерода, особенно имеющих промышленное значение; в её задачи уже не входит исследование состава растительных и животных объектов. Эти сведения поступали случайно в результате побочной работы химиков, ботаников, физиологов растений и животных, а также патологов и врачей, включавших в круг своих интересов химические исследования. Так, в 1814 русский химик К. С. Кирхгоф описал осахаривание крахмала под влиянием вытяжки из проросших семян ячменя: действие амилазы . К середине 19 в. были описаны и другие ферменты: амилаза слюны, расщепляющая полисахариды ; пепсин желудочного сока и трипсин сока поджелудочной железы, расщепляющие белки. Берцелиус ввёл в химию понятие катализаторов , к числу которых были отнесены все известные в то время ферменты . В 1835 французский химик М. Шеврёль описал в составе мышц креатин , несколько позднее в моче был найден близкий к нему по структуре креатинин. Содержание в скелетных мышцах молочной кислоты и её накопление при работе установил немецкий химик Ю. Либих. В 1839 он же выяснил, что в состав пищи входят белки , жиры и углеводы , являющиеся главными составными частями животных и растительных организмов. В середине 19 в. была установлена структура жира и осуществлен его синтез французским химиком П. Бертло; синтез углеводов был проведён русским учёным А. М. Бутлеровым; он же предложил теорию строения органических соединений, сохранившую своё значение и поныне. Систематическое исследование белков было начато голландским врачом и химиком Г. И. Мульдером в 30-е гг. 19 в. и интенсивно продолжалось многими авторами во все последующие годы. В то же время в связи с описанием дрожжевых клеток (К. Коньяр-Латур во Франции и Т. Шванн в Германии, 1836-38) активно начали изучать процесс сбраживания сахара и образования спирта, издавна привлекавший к себе внимание. В числе учёных, изучавших брожение , были Ю. Либих и французский учёный Л. Пастер. Пастер пришёл к выводу, что брожение - биологический процесс, в котором обязательно участвуют живые дрожжевые клетки. Либих же рассматривал сбраживание сахара как сложную химическую реакцию. В этот спор была внесена ясность, когда русский химик М. М. Манассеина (1871) и особенно четко немецкий учёный Э. Бухнер (1897) доказали способность бесклеточного дрожжевого сока вызывать алкогольное брожение. Т. о. была подтверждена принципиальная правильность химической теории действия ферментов, которую Либих сформулировал в 1870; основные принципы этой теории сохранили своё значение и теперь.
Постепенно количество накопившихся сведений относительно химического состава растительных и животных организмов и протекающих в них химических реакций стало значительным, в связи с чем были осуществлены попытки их систематизации и объединения в учебных руководствах. Наиболее ранние из них - учебники И. Зимона (1842) и Либиха (1847), изданные в Германии, и учебник физиологической химии А. И. Ходнева, вышедший в России (1847).
Возникновение и развитие современных направлений Б.В конце 19 века и в 20 в. развитие Б. приобрело выраженный специализированный характер в зависимости от разрабатываемой проблемы и объекта исследования. Б. растений развивалась по преимуществу на кафедрах ботаники и физиологии растений. Тесно связана с ней и Б. микроорганизмов. Белки, углеводы, липиды, витамины, являющиеся составными частями растений, животных и микроорганизмов, исследовали биохимики всех стран на самых различных объектах. Характерными для растений и микроорганизмов можно считать гликозиды , дубильные вещества, эфирные масла, алкалоиды , антибиотики и др. т. н. вещества вторичного происхождения. Из перечисленных соединений ряд гликозидов был синтезирован при участии ферментов французским химиком Э. Буркло и его сотрудниками (1911-18). В расшифровке строения антоцианов - гликозидов, входящих в состав пигментов цветов и плодов, - исключительную роль сыграли классические работы немецкого химика Р. Вильштеттера (1910-15). Группа алкалоидов (азотистых гетероциклических веществ основного характера) изучалась немецким химиком А. Гофманом (1890-1900). Позднее алкалоиды изучали выдающиеся исследователи (Р. Вильштеттер, Л. Пикте - Швейцария; русские химики А. П. Орехов, А. А. Шмук и многие др.). Эфирные масла, терпены успешно исследовали также крупные представители химии и биохимии: Перкин младший (Великобритания), Г. Эйлер (Швеция) и др.
Выдающуюся роль в развитии Б. растений в России (конец 19 в. - 1-я половина 20 в.) сыграли профессор Петербургского университета А. С. Фаминцын, его ученики Д. И. Ивановский, открывший вирусы, и И. П. Бородин, изучавший окислительные процессы в организме растений и их связь с превращениями белков.
Работы С. П. Костычева (профессор Петербургского университета, позднее - ЛГУ) по анаэробному обмену углеводов и дыханию у растений обогатили химическую физиологию открытием новых промежуточных продуктов брожения, формулировкой оригинальных взглядов на сущность окислительных процессов, на обмен белков и фиксацию азота растениями. Много сделал профессор Варшавского университета М. С. Цвет, разработавший метод хроматографии на колонках, используемый и в настоящее время. Московская школа физиологов и биохимиков растений была представлена К. А. Тимирязевым, исследовавшим фотосинтез и химию хлорофилла. Его ученики - В. И. Палладин, разрабатывавший проблему биологического окисления, Д. П. Прянишников, изучавший азотистый обмен растений, В. С. Буткевич, обогативший теоретическую Б. исследованиями белков и белкового обмена растений, А. Р. Кизель, изучавший обмен аргинина и мочевины у растений и структурные элементы протоплазмы клеток, - явились создателями крупных школ и оригинальных направлений современной общей и эволюционной Б., а также физиологии и Б. растений, плодотворно развивающихся и в 3-й четверти 20 в. В 20 в. представители Б. микроорганизмов и Б. растений решали много общих задач, связанных с изучением природных соединений (в т. ч. и высокомолекулярных), их структуры, путей образования и расщепления, характеристики ферментов, участвующих в этих процессах. Следует отметить, что микроорганизмы постепенно стали излюбленным объектом для различных энзимологических исследований и для разработки проблем биохимической генетики.
Все эти исследования создали прочную базу для разработки многих частных проблем, в том числе и промышленной Б. К ним относятся получение новых антибиотиков, разработка методов их очистки, поиски условий, благоприятных для микробиологического синтеза не только антибиотиков, но и других биологически активных соединений - витаминов, дефицитных аминокислот, нуклеотидов и т.д.