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 1999года 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.

Сего точки зрения, инициирующим началом самострук­турированиянелинейной 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.