Биология XX века: познание молекулярного уровня жизни. Предпосылки современной биологии.

Современная биология основывается на тех достижениях, которые были сделаны в этой науке во второй половине

XIX века: создание Ч. Дарвином эволюционного учения,
основополагающие работы К. Бернара в области физиоло
гии, важнейшие исследования Л. Пастера, Р. Коха и
И.И. Мечникова в области микробиологии и иммунологии,
работы И.М. Сеченова и И.И. Павлова в области выс
шей нервной деятельности и, наконец, блестящие работы
Г. Менделя, хотя и не получившие известности до начала

XX века, но уже выполненные их выдающимся автором.
XX век явился продолжением не менее интенсивного

прогресса в биологии. В 1900 году голландским ученым-биологом X. де Фризом (1848-1935), немецким ученым-ботаником К.Э. Корренсом (1864-1933) и австрийским ученым Э. Чермак-Зейзенеггом (1871-1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были открыты и стали всеобщим достоянием законы наследственности, установленные Менделем.

Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят принцип дискретности в явлениях наслед-

ственности, открытый еще Менделем; опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и признаков родителей были значительно расширены. Было принято понятие «ген», введенное известным датским биологом Вильгельмом Иогансоном (1857-1927) в 1909 году и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака.

Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) — высокомолекулярное соединение, носитель наследственных признаков.

Дальнейшие исследования показали, что ген является определенной частью ДНК и действительно носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК - носитель всей наследственной информации организма.

Развитию генетики способствовали в большой мере исследования известного американского биолога, одного из основоположников этой науки, Томаса Ханта Моргана (1866-1945). Он сформулировал хромосомную теорию наследственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т.е. их клетки (за исключением половых) имеют наборы парных хромосом, однотипных хромосом от женского и мужского организмов. Хромосомная теория наследственности сделала более понятными явления расщепления в наследовании признаков.

Важным событием в развитии генетики стало открытие мутаций — возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов и потому могущих привести к устойчивому изменению свойств гибридов, передаваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно называют естественными или спонтанными мутациями), либо искусственно вызываемым воздействиям (такие мутации часто именуют индуцированными). Все виды живых организмов (как растительных, так и животных) способны мутировать, т. е. давать мутации. Это явление — внезапное возникновение новых, передающихся по наследству свойств — известно в биологии давно. Однако систематическое изучение мутаций было начато голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и

сам термин «мутации». Было обнаружено, что индуцированные мутации могут возникать в результате радиоактивного облучения организмов, а также могут быть вызваны воздействием некоторых химических веществ.

Следует отметить первооткрывателей всего того, что связано с мутациями. Советский ученый-микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867-1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 году воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский генетик Герман Джозеф Меллер (1890-1967), работавший в течение 1933-1937 годов в СССР, обнаружил в 1927 году в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает мутации.

Достижения генетики (и биологии в целом) за прошедшее после выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов» время так значительны, что было бы удивительно, если бы все это никак не повлияло на дарвиновскую теорию эволюции. Два фактора: изменчивость и наследственность, которым Дарвин придавал большое значение, получили более глубокое толкование.

Итак, дальнейшее развитие биологии и входящей в нее составной частью генетики, во-первых, еще более укрепило дарвиновскую теорию эволюции живого мира и, во-вторых, дало более глубокое толкование (соответствующее достигнутым успехам в биологии) понятиям изменчивости и наследственности, а следовательно, всему процессу эволюции живого мира. Более того, можно сказать, что успехи биологии выдвинули эту науку в ряды лидеров естествознания, причем наиболее поразительные ее достижения связаны с изучением процессов, происходящих на молекулярном уровне.

Молекулярная биология

Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины нашего века был сравнительно медленным, но благодаря технике физических методов анализа, скорость его резко возросла.

У. Астбери ввел в науку термин «молекулярная биология» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е годы почти повсеместно господствова-

ло мнение, что гены представляют собой особый тип белковых молекул, в 1944 году О. Звери, К. Маклеод и М. Мак-карти показали, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а ДНК. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для дальнейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеиновой кислоте).

Расшифровку молекулы ДНК произвели в 1953 году Ф.Крик (Англия) и Д.Уотсон (США). Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль.

Наряду с изучением нуклеиновых кислот и процессом синтеза белка в молекулярной биологии большое значение с самого начала имели исследования структуры и свойств самих белков. Параллельно с расшифровкой аминокислотного состава белков проводились исследования их пространственной структуры. Среди важнейших достижений этого направления следует назвать теорию спирали, разработанную в 1951 году Э. Полингом и Р. Кори. Согласно этой теории, полипептидная цепь белка не является плоской, а свернута в спираль, характеристики которой были также определены.

Несмотря на молодость молекулярной биологии, успехи, достигнутые ею в этой области, ошеломляющи. За сравнительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена первичная структура многих транспортных РНК. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих вирусов, и разгаданы пути их биогенеза в клетке.

Другое направление молекулярной генетики — исследование мутации генов. Современный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. В 70-е годы появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза.

В 1981 году процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как неживой.

В последнее время в средствах массовой информации активно обсуждаются опыты по клонированию и связанные с этим нравственные, правовые и религиозные проблемы. Еще в 1943 году журнал «Сайенс» сообщил об успешном оплодотворении яйцеклетки в «пробирке». Далее события развивались следующим образом.

1973 год — профессор Л. Шетлз из Колумбийского университета в Нью-Йорке заявил, что он готов произвести на свет первого «бэби из пробирки», после чего последовали категорические запреты Ватикана и пресвитерианской церкви США.

1978 год — рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка «из пробирки».

1997 год — 27 февраля «Нейчур» поместил на своей обложке — на фоне микрофотографии яйцеклетки — знаменитую овечку Долли, родившуюся в институте Рослин в Эдинбурге.

1997 год — в самом конце декабря журнал «Сайенс»
сообщил о рождении шести овец, полученных по рослин-
скому методу. Три из них, в том числе и овечка Долли,
несли человеческий ген «фактора IX», или кровоостанав
ливающего белка, который необходим людям, страдающим
гемофилией, то есть несвертываемостью крови.

1998 год — чикагский физик Сиди объявляет о созда
нии лаборатории по клонированию людей: он утверждает,
что отбоя от клиентов у него не будет.

1998 год, начало марта — французские ученые объявили о рождении клонированной телочки.

Все это открывает уникальные перспективы для человечества.

Клонирование органов и тканей — это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и в других областях медицины и биологии. При пересадке клонированного органа не надо думать о подавлении реакции отторжения и возможных последствиях в виде рака, развившегося на фоне иммунодефицита. Клонированные органы станут спасением для людей, попавших в автомобильные

аварии или какие-нибудь иные катастрофы, или для людей, которым нужна радикальная помощь из-за заболеваний пожилого возраста (изношенное сердце, больная печень и т. д.).

Самый наглядный эффект клонирования — дать возможность бездетным людям иметь своих собственных детей. Миллионы семейных пар во всем мире страдают, будучи обреченными оставаться без потомков.

Расшифровка генома человека

Первоначально (в 1988 году) средства на изучение генома человека выделило Министерство энергетики США, и одним из руководителей программы «Геном человека» стал профессор Чарлз Кэнтор.

В 1990 году Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон начал лоббирование конгресса США, и вскоре конгресс распорядился выделить сразу сотни миллионов долларов на изучение генома человека. Эти средства были добавлены к бюджету Министерства здравоохранения, оттуда они перетекли в ведение дирекции сети институтов, объединенных под общим названием — Национальные институты здоровья (National Institutes of Health, сокращенно NIH). В составе NIH появился новый институт — Национальный институт исследования генома человека (NHGRI, директор Фрэнсис Коллинз).

В мае 1992 года ведущий сотрудник NIH Крэйг Вентер подал заявление об уходе и объявил о создании нового, частного исследовательского учреждения — Института геномных исследований (The Institute for Genomic Research, сокращенно — TIGR или ТИГР).

Ожидание гигантских прибылей от будущего внедрения результатов изучения геномов хорошо поняли не только в США. В ведущих странах Запада началась настоящая гонка в отношении вклада средств в исследования геномов. 3 мая 1999 года британский «Велком траст» (формально правительство Великобритании финансирует британскую часть проекта «Геном человека» через этот частный благотворительный фонд) добавил дополнительно 100 млн фунтов стерлингов (примерно 167 млн долларов) нескольким английским лабораториям, занимающимся исследованиями генома человека, из них 77 млн долларов было выделено на 1999 год Сэнгеровскому центру в Кэмбридже.

При первоначальном объявлении сроков завершения проекта в 2003 году предполагалось, что точность исследования генома составит 99, 99%. Потом сроки подвинули, основываясь на том, что для биологов и медиков хватит и 90% -ной точности, зато отрапортовать о завершении генома можно будет к концу 2000 года.

2 декабря 1999 года журнал «Nature» обнародовал данные, касающиеся крупного прорыва в исследовании генома человека: в основном усилиями английских ученых при активном участии других европейских, японских и американских лабораторий был завершен полный анализ одной из хромосом человека (правда, одной из самых маленьких) — хромосомы 22.

На этом гонка отнюдь не затихла. Как сообщил журнал «Science» со ссылкой на газету «Ле Монд»от 14 мая 1999 года, французское правительство решило в этот момент «впрыснуть» дополнительно 330 млн долларов на ближайшие три года в бюджет расположенного рядом с Парижем исследовательского центра генома в Иври.

В июне 1999 года Германия, которая до этого выделяла явно недостаточно средств на исследования генома человека (всего 23 млн долларов в год, начиная с 1996 года), изменила свой подход: на ближайшие пять лет было отпущено 550 млн долларов. В ноябре — декабре 1999 года стало ясно, что ученым удалось убедить правительство увеличить ежегодные траты на исследования генома человека до 280 млн долларов.

13 июля 1999 года об увеличении выделяемых средств на работы по исследованию генома человека объявило правительство Японии.

То, что участвовавшая в начале создания международ
ного проекта «Геном человека» Россия фактически приос
тановила свой вклад в него, можно рассматривать одно
значно отрицательно: Россия обрекает себя в этом отно
шении на скатывание на уровень второстепенных госу
дарств, обреченных на экономическую зависимость в буду
щем от тех, кто вложил средства в эту перспективную на
учную область.

Описание генома человека ученым удалось получить значительно раньше планировавшихся сроков (2005- 2010 гг.). Уже в канун нового, XXI века были достигнуты сенсационные результаты в деле реализации указанно-

го проекта. Оказалось, что в геноме человека — от 30 до 40 тысяч генов (вместо предполагавшихся ранее 80—100 тысяч). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тысяч генов) или мухи-дрозофилы (13, 5 тысяч).

Расшифровка генома человека дала огромную, качественно новую научную информацию для фармацевтической промышленности. Вместе с тем оказалось, что использовать это научное богатство фармацевтической индустрии сегодня не по силам. Нужны новые технологии, которые появятся, как предполагается, в ближайшие 10-15 лет. Именно тогда станут реальностью лекарства, поступающие непосредственно к больному органу, минуя все побочные эффекты. Выйдет на качественно новый уровень трансплантология, получит развитие клеточная и генная терапия, радикально изменится медицинская диагностика и т. д.

Кибернетика и синергетика

Впервые термин кибернетика встречается у древнегреческого философа Платона и означает искусство управлять кораблем (искусство кормчего), а в переносном смысле -искусство управления людьми. Долгое время этим термином не пользовались. Только в 1948 г. этот термин был взят на вооружение известным американским математиком Норбертом Винером, который опубликовал книгу «Кибернетика, или управление и связь в животном и в машине».

Данная работа Винера наряду с книгой фон Неймана и О. Моргенштерна «Теория игр и оптимальное поведение» (1944 г.) оказались весьма продуктивными для становления электронно-вычислительной техники.

Кибернетика поставила в центр внимания такие понятия как информация, обратная связь, управление и др. На основе идей Винера удалось создать общую теорию информации и связи, применимую в самых различных областях — от физики до биологии и языкознания. В развитии теории информации важную роль сыграли также работы советских ученых А.Н. Колмогорова и А.Я. Хинчина.

В кибернетике были предприняты первые серьезные усилия по научному исследованию феномена самоорганизации. Кибернетика имела дело как с живыми, так и с техническими (построенными из неживого вещества) управляемыми и саморегулирующимися системами, т.е. с системами, в которых самоорганизация заложена изначально.

Кибернетику интересовали гомеостатические системы, поддерживающие свое функционирование в заданном режиме. Само понятие гомеостазиса указывает на то, что в гомеостатической системе речь может идти только о самоорганизации, направленной на достижение оптимальной структуры ее элементов. Такая идея позволяет понять факт устойчивости и сохранения систем (в том числе живых). Но с позиций гомеостазиса нельзя понять как возникают новые системы, причем не только в живой, но и в неорганической природе. К тому же, проблема гомеостазиса в кибернетике рассматривается с чисто функциональной точки зрения и поэтому в ней не анализируются конкретные механизмы самоорганизации.

В настоящее время считается установленным, что процессы самоорганизации (так же как, разумеется, и дезорганизации) могут происходить в сравнительно простых физических и химических средах неорганической природы. А это означает, что простейшая, элементарная форма самоорганизации имеет место уже в рамках физической и химической форм движения материи. Причем, чем сложнее форма движения материи, тем выше уровень ее самоорганизации.

Синергетика как новая парадигма самоорганизации зародилась в нашей стране. Еще в 60-х годах XX века советским ученым Б.Н.Белоусовым были начаты интересные эксперименты с так называемыми автокаталитическими химическими реакциями, которые затем были продолжены A.M. Жаботинским. Эти эксперименты показали, что наличие автокаталитических реакций значительно ускоряет процессы самоорганизации в химической форме движения. Были высказаны веские предположения, что именно автокаталитические самоорганизующиеся химические процессы послужили основой для перехода от предбиологической к биологической форме движения материи.

Позднее реакция Белоусова-Жаботинского послужило экспериментальной основой для построения математической модели самоорганизующихся процессов в бельгийской школе лауреата Нобелевской премии И.Р. Пригожина. Исследуя по преимуществу процессы самоорганизации в физических и химических системах, И.Р. Пригожин в целом ряде своих работ (часть из них переведена на русский

язык) раскрывает исторические предпосылки и мировоззренческие основания теории самоорганизации.

В 70—80-х годах XX века работы в области синергетики быстро расширялись, в них включались все новые исследователи. Немецкому профессору Г. Хакену (Институт синергетики и теоретической физики в Штутгарте) удалось объединить большую международную группу ученых, создавшую серию книг по синергетике. В этих работах представлялись результаты исследований процессов самоорганизации в самых разных системах, включая и социальные.

В нашей стране разработкой теории самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного (компьютерного) эксперимента занялась школа академика А.А. Самарского и члена-корреспондента РАН С.П. Курдюмова. Эта школа выдвинула ряд оригинальных идей для понимания механизмов возникновения и эволюции относительно устойчивых структур в нелинейных средах.

Синергетику, как новую парадигму, можно предельно кратко охарактеризовать тремя ключевыми идеями: самоорганизация, открытые системы, нелинейность.

Физика XIX века ввела понятие о необратимых процессах. Провозглашая необратимый характер физических изменений, классическая термодинамика считала, что эти изменения могут происходить лишь в сторону увеличения энтропии, а следовательно, усиления хаоса, дезорганизации материальных систем. Эти представления об эволюции физических (неорганических) систем, способных лишь к движению в сторону дезорганизации, находились в резком противоречии с самоорганизацией живых систем.

Но физика XIX столетия рассматривала лишь закрытые, изолированные от окружающей среды системы, в которых энтропия действительно имеет тенденцию к возрастанию. Такие системы «эволюционируют» в сторону термодинамического равновесия и дезорганизации - в полном соответствии со вторым началом термодинамики. Однако в наше время считается установленным, что представление прежней физики о закрытых системах схематизирует и упрощает действительность, то есть является весьма сильной идеализацией, которая реально в природе не встречается.

Во второй половине XX века в науке утвердилось представление согласно которому открытость системы явля-

ется непременным условием самоорганизации. Еще до появления синергетики американский кибернетик Г. Ферс-тер выразил это достаточно ясно. «Термин самоорганизующаяся система», - писал он, - становится бессмысленным, если система не находится в контакте с окружением, которая обладает доступным для нее энергией и порядком и с которым наша система находится в состоянии постоянного взаимодействия, так что она умудряется как-то «жить» за счет этого окружения»³¹.

Тот факт, что для самоорганизации необходима открытая система, то есть система, обменивающаяся с окружающей средой веществом и энергией, ставил под сомнение универсальную справедливость выводов классической термодинамики, имеющей дело с закрытыми системами (которые изолированы от окружающей среды и которые, как уже отмечалось выше, фактически не встречаются в природе). Оказалось, что принцип Больцмана (второе начало термодинамики) в буквальном смысле не применим к системам открытого типа. Конечно, и в открытых системах может нарастать энтропия, происходить увеличение беспорядка (дезорганизации), но за счет обмена энергией с окружающей средой эти процессы могут приостанавливаться и даже приобретать обратный характер. В такого рода системах, грубо говоря, использованная, «обесцененная» энергия рассеивается в окружающей среде (а взамен поступает новая энергия из среды). Поэтому подобные системы, или структуры получили наименование «диссипативные», что в переводе с английского означает «рассеивающие». Данное понятие сыграло важную роль в становлении синергетики³².

Разработка теории диссипативных структур показало, что диссипация - это не фактор разрушения, а необходимое и важное свойство процессов самоорганизации. Именно диссипация есть необходимый процесс, способствующий выстраиванию упорядоченной структуры в нелинейной открытой среде.

Диссипативные структуры, не подчиняющиеся принципу Больцмана, связаны с совершенно другим принципом, который И.Р. Пригожин назвал «возникновение порядка через флуктуации». Как рождается порядок из хаоса (беспорядка)? - ставит вопрос И.Р. Пригожин (и этот вопрос выносит в заголовок своей основополагающей работы по синергетике, написанной в соавторстве с И. Стенгерс)³³.

С его точки зрения, инициирующим началом самоструктурирования нелинейной открытой среды является малая флуктуация. Под флуктуациями в синергетике понимают случайные отклонения величин, характеризующих систему, от средних значений. Таким образом, синергетическое понятие флуктуации оказалось тесно связанным с философской категорией случайности.

Синергетика по-новому осветила место и роль случайности в эволюции материального мира. Она опровергла тот привычный взгляд, будто случайная флуктуация несущественна, ибо маломасштабна, и в силу этого, не может определять путь развития системы. С точки зрения синергетики, в открытых нелинейных системах (а таковые типичны в мире, в котором мы живем) случайное малое воздействие - флуктуация - может приводить к весьма существенному результату. Таким образом случайность играет особую, конструктивную (можно даже сказать — креативную) роль в процессах самоорганизации, происходящих в материальном мире.

Формирование синергетики в последней четверти XX столетия оказалось в чем-то схожим со становлением кибернетики в середине этого столетия. Такая схожесть основывается на обнаруженной общности в феноменах, имеющих место в системах неживой и живой природы, а также в социальных системах. Во всех этих материальных системах имеют место процессы самоорганизации.

Вместе с тем между кибернетикой и синергетикой существует и значительное различие. Кибернетика, возникшая на рубеже 40-50-х годов XX века, претендовала на общенаучное значение в изучении процессов управления, имеющих место в некоторых неорганических (созданных человеком), биологических и социальных системах. И, надо сказать, она успешно отстояла свой общенаучный статус. Синергетика претендует сегодня на большее: она выступает уже как новое миропонимание, как основа концепций глобального и космического эволюционизма.

Итоги ушедшего столетия

На границе столетий всегда какая-то часть людей была озабочена поисками символов ушедшего времени. Вот и ныне — периодические издания дружно выделяют события, ставшие этапными и оказавшие влияние на жизнь чело-

вечества в прошедшие сто лет. Называют атомную бомбу, компьютеры и Интернет, открытие генетического кода и клонированную овечку. Если посмотреть повнимательнее и на прочие более мелкие события века, то все равно окажется, что, подводя итоги времен, люди выделяют прежде всего и чаще всего достижения науки и техники.

Известное приложение к «Независимой газете» — «НГ-Наука» в течение 2000 года проводила рейтинговые опросы читателей по четырем, как принято сегодня говорить, номинациям:

- самые выдающиеся ученые столетия;

- открытия и научные концепции (теории), в наибольшей
степени повлиявшие на развитие цивилизации в XX в.;

- наиболее значимые технологии и изобретения;

- самые грандиозные реализованные технические (инже
нерные) проекты.

В результате, как и планировала «НГ-Наука», появился список — «Золотая сотня» науки и техники XX в., составленный по мнениям читателей.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒