Основы морфологии и органографии растений

Тема № 6. РОЖДЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ

НОВАЯ АНАТОМИЯ

Знаменующим началом научной революции принято считать 1543 г. В этом году польский астроном Николай Коперник опубликовал книгу, где была изложена новая точка зрения на Солнечную систему, центром которой было Солнце, а Земля — планетой, движущейся по орбите подобно любой другой. Это открытие ознаменовало поражение старой греческой точки зрения на Вселенную, в центре которой была Земля, хотя жесткая борьба в течение столетия, оставшегося до победы новой точки зрения, была очевидной.

В том же самом году (1543 г) была опубликована вторая книга, столь же революционная в области биологических наук, как и книга Коперника в области наук физических. Эта вторая книга была «О структуре человеческого тела» бельгийского анатома по имени Андреас Везалий (31.12.1514, Брюссель, — 15.10.1564, остров Занте). Везалий получил образование в Нидерландах в строгих традициях Галена, к которому питал глубочайшее уважение. Однако он путешествовал по Италии, пока не закончил образования, и тут вступил в более либеральную интеллектуаль­ную атмосферу. Он снова ввел практику Мондино де Луцци делать свои собственные анатомические вскрытия и не разрешал себе поддаваться влиянию старой греческой точки зрения, когда его глаза не соглашались с этой точкой зрения. Книга, которую он опубликовал в результате наблюдений, была первым корректным трудом по человеческой анатомии в ряду уже существующих. Она имела большие преимущества перед ранними книгами. Во-первых, вышла, когда уже было открыто книгопечатание, так что тысячи копий могли быть размножены по всей Европе. Во-вторых, имела иллюстрации, причем исключительно хорошего качества; многие были сделаны Яном Стивенсоном Ванкалкаром, учеником Тициана. Человеческое тело было показано в естественных положениях, а иллюстрации мускулов оказались особенно хороши.

В своей работе («Семь книг о строении человеческого тела» (1543)) он подробно описывает особенности строения человеческого тела и методы пре­парирования органов. Хотя он все еще отдавал дань уважения древним авторитетам и их ошибочным утверждениям при оценке функции органов, стремился освободить анатомию от фантазий точным описанием фактов. В этом смысле он внес много нового в анатомию, освобождая ее от ошибок К. Галена и других исследователей. Своими трудами он поднял описательную и топографическую анатомию на новую высоту. Однако ему не удалось избавиться от телеологических толкований, что выражалось в попытке связывать нервно-мозговую деятельность с наличием жизненного духа.

Жизнь Везалия после появления его книги была несчастливой. Его точка зрения казалась еретической в отношении некоторых авторитетов, и, что особенно важно, определенные рассечения, рекомендованные в его книге, были незаконными. Он был вынужден предпринять путешествие в Святую землю и на обратном пути погиб в кораблекрушении. Революция Везалия в биологии была, однако, более эффективна, чем революция Коперника в астрономии. То, что книга Везалия поддерживала, не было чем-то таким же неправдоподобным, как огромная Земля, движущаяся вокруг Солнца. Скорее в этой книге представлены форма и устройство органов, которые (со ссылками на авторитет античных греков) каждый может увидеть, если побеспокоится взглянуть.

Греческая анатомия устарела, тогда как итальянская анатомия расцвела. Пафос познания строения человеческого организма увенчался выяснением наличия большего числа швов в черепе у ребенка по сравнению с взрослым состоянием, деталей строения органов слуха и женских половых органов (Г.Фаллопий. 1523—1562), зубной системы, уха и почек (В. Евстахий, 1510—1574), органов пищеварения (Д. Фабриций,1537—1619), мышечной системы (Н. Стено, 1638—1686), функции и строения печени (Ф. Глиссон 1597—1677). Успехи не обошлись без жертв. Так, М. Сервети и Р. Коломбо, описавшие малый круг кровообращения, были сожжены на кострах инквизиции (1553).

Габриэлло Фаллопио, (ок. 1523-1562), один из учеников Везалия, итальянский анатом и врач. Основные работы Фаллопия связаны с изучением анатомии головы. Он описал такие анатомические структуры, как клиновидные пазухи, барабанная струна в среднем ухе, канал лицевого нерва, фаллопиев канал. Впервые установил связь между сосцевидным отростком височной кости и средним ухом, ввел во врачебную практику специальное зеркало для диагностики ушных заболеваний. Дал названия твердому и мягкому небу, плаценте, влагалищу, описал яйцеводы человека (т.н. фаллопиевы трубы). Как анатом Фаллопий стоит в одном ряду с А.Везалием и Б.Евстахием. Он был последовательным оппонентом теорий Галена, греческого врача 2 в. н.э.

Другой итальянский анатом, Бартоломео Еустафио, или Еустафиус (1500 — 1574), был оппонентом Везалия и сторонником Галена, но он также изучал человеческое тело и описывал то, что видел. Он вновь открыл трубы Алкмеона, ведущие от уха к горлу, и теперь они известны как евстафиевы трубы. Освеженный взгляд на анатомию распрост­ранился и на другие ветви биологии. Вера Гиппократа в легкую руку врача в последу­ющие столетия открыла дорогу к действи­тельно жестоким лекарствам. Фактически методы были такими грубыми, что хирургия в ранние современные времена была предос­тавлена не врачам, а парикмахерам, которые режут мясо так же, как волосы. Возможно, потому, что хирурги-парикмахеры были сла­бы в теории, они переходили к решительным мерам: огнестрельные раны дезинфицировали кипящим маслом, а кровотечение останав­ливали прижиганием раскаленным железом.

Французский хирург Амбруаз Паре (1517 — 1590) помог изменить это положение вещей. Он начал жизнь подмастерьем парикмахера, присоединился к армии хирургов-парикмахе­ров и ввел испугавшие всех преобразования. Он использовал благородные мази комнат­ной температуры для лечения огнестрельных ран и останавливал кровотечение, зашивая артерии, за что его иногда называют отцом современной хирургии. Паре также изобрел хитроумные искусственные конечности, улуч­шил акушерские методы и написал француз­ские резюме к работам Везалия, так что другие хирурги-парикмахеры, не обученные латыни, могли собрать определенные факты, относящиеся к строению человеческого тела, прежде чем лечить кашель наугад. И еще за­долго до того, как анатомы стали практико­вать и начали делать собственные вскрытия, врачи уже делали хирургические операции.

ЦИРКУЛЯЦИЯ КРОВИ

Скорее, чем тонкости вопроса внешнего вида и устройства частей тела, которые явля­ются предметом анатомии, предметом физио­логии стало нормальное функционирование этих частей. Греки достигли малого прогресса в физиологии, и большинство их заключений было неверно. В частности, они ошибались в отношении функционирования сердца. Серд­це, очевидно, насос: оно качает кровь. Но от­куда берется кровь и куда она уходит? Ранние греческие врачи ошибались, рассуждая, что вены — единственные кровеносные сосуды. В трупах артерии обычно пусты, и греки по­лагали, что артерии есть сосуды для передачи воздуха (слово «артерия» значит на греческом «воздуховод»).

Герофил, однако, показал, что как артерии, так и вены проводят кровь. Обе сети кровеносных сосудов соединены сер­дцем, и естественно было предположить, что соответствующие вещества могут растворять­ся, если будут найдены какие-то связи между венами и артериями в окончаниях, уходящих от сердца. Но более тщательное исследование показало, что как вены, так и артерии развет­вляются на все более и более тонкие сосуды, которые, в конечном счете, станут такими, что теряются из виду. Между ними не было най­дено никакой связи.

Гален предположил, что кровь движется от одной сети сосудов к дру­гой, проходя от правой стороны к левой. Для того чтобы допустить прохождение крови че­рез сердце, он предположил, что здесь долж­ны быть крохотные отверстия в толстой мяси­стой перегородке, которая разделяет сердце на правую и левую части. Этих отверстий никто никогда не наблюдал, но через семнадцать столетий после Галена врачи и анатомы пред­положили, что они существуют.

Итальянские анатомы новой эры стали подозревать, что это, возможно, не так, не набравшись отваги выйти на открытое отрицание. Например, Джероламо Фабриций (1533—1619) открыл, что большие вены имеют клапаны. Он описал их и показал, как они работают. Они устрое­ны так, что кровь может течь через них по направлению к сердцу без проблем, но не спо­собна пройти назад от сердца без того, чтобы быть пойманной в ловушку клапаном. Таким образом, кровь может двигаться только в од­ном направлении — к сердцу. Это, однако, противоречило замечанию Галена о движении назад. Фабриций дерзнул пойти лишь настолько далеко, чтобы допустить, что клапаны задерживают (скорее, чем останавливают) обратный ток крови.

Но у Фабриция был студент, англичанин по имени Уильям Гарвей, ( 1 апреля 1578, Фолкстон, (графство Кент) — 3 июня 1657, Лондон) — английский медик, основоположник физиологии и эмбриологии,. зачисленный при строгом подборе кадров. Возвратившись в Англию, он изучил сердце и заметил, как заметили многие анатомы до него, что в нем есть клапаны одностороннего движения. Кровь может поступать в сердце из вен, но клапаны препятствуют ее обратному Движению. Кровь может покидать сердце че­рез артерии, но не может возвращаться из-за того, что имеется другая сеть клапанов одно­стороннего движения. Когда Гарвей перевязывал артерии, сторона, направленная к сердцу, выпячивалась от переполнения кровью. Когда же он перевязывал вену, выпячивалась сторона, направленная от сердца. Все сходилось на том, что кровоток не ослабевает и движется в одном направлении. Кровь попадает из вен в сердце, а из сердца — в артерии. Она никогда не возвращается. Гарвей рассчитал, что в течение трех часов сердце прогоняет через организм количество крови, равное троекрат­ной массе человеческого тела. Кажется немыс­лимым, что кровь может быть сформирована и вытолкнута назад в таком темпе, поэтому кровь из артерий должна быть возвращена в вены где-нибудь вне сердца, через соедини­тельные сосуды, слишком тонкие, чтобы их увидеть (такие невидимые сосуды были не больше, чем невидимые поры Галена в сердеч­ной мышце). Предположив существование та­ких сосудов, было легко увидеть, что сердце перекачивает одну и ту же кровь, но многу раз: вены — сердце — артерии — вены — сердце — артерии... Следовательно, нет ничего неожиданного в том, что насос может в тече­ние часа три раза перекачать через себя массу тела человека. В 1628 г. Гарвей опубликовал это заключение и свидетельства, доказывающие его, в маленькой книге, всего из 72 страниц. Она была напечатана в Голландии под названием «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных» (1628) и полна типографских ошибок. Несмотря на неприглядный размер и невзрачный вид, эта книга была революционной; она полностью удовлетворяла требованиям времени. Работы В.Гарвея оказали большое влияние на прогресс в изучении физиологии человека и животных. Он заложил «фундамент новому отделу точного человеческого знания — физиологии животных» (И.П. Павлов).

Это были годы, когда итальянский ученый Галилео Галилей (1564 — 1642) популяризировал экспериментальный метод в науке и, делая это, комплексно разбил Аристотелеву систему физики. Работа Гарвеяразрушила Галенову систему физиологии и основала современную физиологию (Гарвеево вычисление количества крови, перекачиваемой сердцем, представляет собой первое важное приложение математики к биологии) и представляла собой первое большое приложение новой экспериментальной системы к биологии.

Врачи старой школы всячески поносили Гарвея, но ничего не могли поделать против фактов. Со временем, когда Гарвей состарился, факт циркуляции крови был принят биологами Европы, хотя соединительные сосуды между артериями и венами и остались неоткрытыми. Европа, таким образом, определенно и окончательно выступила за пределы греческой биологии. Новая теория Гарвея открыла сражение между двумя противоположными точками зрения, начала битву, которая заполнила историю современной биологии, и победа в ней полностью не предрешена до сих пор.

В соответствии с прежней точкой зрения на жизнь одушевленные предметы рассматривались, по существу, отдельно от неодушевленных, так что человек не мог ожидать, что изучит природу неодушевленных объектов. Кратко можно сказать, что существует точка зрения, в соответствии с которой имеется две отдельные сети законов: одна — для одушевленных и одна — для неодушевленных предметов. Это точка зрения виталистов. Но может существовать точка зрения, в соответствии с которой имеется высоко­специализированная, но не фундаментальная Разница между менее запутанной, более организованной системой неодушевленной Вселенной. При достаточном времени и усилиях изучение неодушевленной Вселенной может обеспечить достаточно знаний, чтобы привести к пониманию живого организма, который сам невероятно сложная машина. Это точка зрения «механистов». Открытие Гарвея было, разумеется, прорывом в пользу точки зрения механистов.Сердце могло рассматриваться как насос, а движение жидкости осуществлялось как движение неодушевленной жидкости. Если предположение верно, то где это движение может остановиться? Не может ли остаток живого организма быть просто сетью сложных и переплетенных механических систем?

Наиболее важный философ века француз Рене Декарт (1596—1650) был привлечен мнением о теле как о механическом устройстве.

"Значима его оценка места биологии, сравнение животных и растений. Так, биологию он относит к усложненной физике, а объекты биологии организмы — к сложным механизмам. В свою очередь рас­тения — великолепно сконструированные машины, а животные — блестяще сооруженные и эффективно действующие автоматы (В.В.Лункевич,1960, т. I, с. 409). Далее смерть животных он связывает с разрушением деталей живой машины, а жизнедеятельность — с наличием специфики организации мозга и нервов. Сокращение мускулов и функции органов чувств ставит в зависимость от деятельности мозга и ответвляющихся от него нервов, имеющих сложную организацию. Он писал, что «животные духи, находящиеся в полостях мозга, втекают в нервы, из них в мускулы, которые и приводят в движение механизм» (В.В. Лункевич, 1960, т. I, с. 413). Р.Декарт в этом смысле заложил основы учения о рефлексах (И.П. Павлов).

Касательно человека, по крайней мере, такая точка зрения была опасно направлена против принятых верований, и Декарт позаботился о том, чтобы уточнить: человек — машина не в отношении разума и души, но только в отношении физической структуры, подобной животной. В отношении разума и души он оставался виталистом. Декарт сделал предположение, что взаимодействие между телом и разумом-душой осуществляется через маленький обрывок ткани, дополняющий мозг, — шишковидную железу. Он был соблазнен верованием, будто чувствует только человек, обладающий шишковидной железой. Вскоре было доказано, что дело обстоит не так. Действительно, у некоторых примитивных рептилий шишковидная железа развита намного лучше, чем у человека.

Теории Декарта, хотя, возможно, и неправильны в деталях, все же были очень влиятельны, и отсутствовали физиологи, которые пытались разбить механистическую точку зрения на маленькие разработанные детали.

Поэтому итальянский физиолог Джованни Альфонсо Борелли (1608—1679) в книге, появившейся после его смерти, рассматривает мускульное действие из комбинации мускулов и костей как систему рычагов. Это доказало свою пользу, и закон рычага вы­полняется для рычагов, сделанных из кости и мускулов. Борелли старался применять по­добные механические принципы для других органов, таких, как легкие и желудок, но здесь успех ему изменил.

НАЧАЛО БИОХИМИИ

Первые химические эксперименты на живых организмах провел фламандский алхимик Ян Батист ван Хельмонт (1577 — 1644). Ван Хельмонт выращивал деревья во взвешенном количестве почвы и показал, что на протяжении пяти лет, в течение которых он добавлял только воду, дерево приобрело 74 килограмма веса, в то время как почва потеряла только 60 граммов. Из этого он сделал вывод, что дерево не производит свою субстанцию из почвы (что правильно), а производит эту субстанцию из воды (что неправильно, по крайней мере, отчасти).

Ван Хельмонт не принял в расчет воздух и при этом, по иронии судьбы, был первым, кто начал изучать газообразные субстанции. Он изобрел слово «газ» и открыл газ, который назвал «дух дерева» и который, как выяснилось позже, был диоксидом углерода. Именно этот газ, как теперь известно, и есть главный источник субстанции в растениях. Ван Хельмонт первым начал изучать химию живых организмов (т.е. биохимию, как мы сейчас ее называем).

Первым энтузиастом был Франц де ла Бое (1614 — 1672), известный под латинизированным именем Францискус Сильвиус – один из основоположников ятрохимии, организатор первой клиники — центра подготовки европейских врачей. Он выносил концепцию тела как химического устройства. Он чувствовал, что пищеварение — химический процесс и подобно процессам ферментации. В этом, как выяснилось, он был прав. Ученый предположил, что здоровье тела, зависит от соответствующего баланса между его химическими компонентами. В этом также были, элементы правды, хотя состояние знаний во времена Сильвиуса было слишком примитивным, чтобы позволить что-либо большее, чем начало прогресса в этом направлении. Сильвиус только и смог предположить, что болезнь отражает избыток или недостаток кислоты в организме.

Основы морфологии и органографии растений

В начале XVII в. основы морфологии и органографии растений закладывает немецкий учёныйИоахим Юнг (1587—1657), что имело значение для последующей систематизации видов. Ботаника обязана ему первой естественной группировкой растений, которую уже после его смерти, но по составленным под его диктовку запискам (так как сам он почти ничего не печатал) представил Йохансен Вагет (Joh. Vaget) в сочинении: «Joachim Jungii isagoge phytoscopia etc.» (Гамбург, 1678) и позднее усовершенствовал Линней.

Юнг предложил выделить комплекс диагностических признаков, касающихся растения в целом и его «внутренней сущности», учитывая «гомологию» органов, как теперь принято говорить. И.Юнг подробно описал различные формы стебля, ветвей и листорасположения, многообразие форм листьев, соцветий (колос, кисть, зонтик и т.д.). При определении растений он предложил исходить из оценки всех морфологических особенностей, включая и габитус.

Джон Рей ( 1627 – 1705), отличался разносторонностью интересов, описал множество растений, опираясь на идеи И. Юнга. Он делил растения на 31 группу, давая видам четырехчленную классификацию, четко выделяя понятия «род», «вид» и классы. Классы располагал в по­рядке усложнения.

В работе «История растений» Дж. Рей в качестве диагностических признаков на первый план ставил плоды, цветы и их расположение, особенности венчика и чашечки, форму и строение листьев, особенности корневой системы. Растения делил на две группы: совершенные (одно- и двусемядольные) и не­совершенные (водоросли, грибы, печеночные, мхи, лишайники, хвощи, папоротники). Задачей ботаники Дж. Рей считал построение филогенетической системы, опирающейся на комплекс при­знаков. Виды определял как «формы..., сохраняющие свою специфическую природу, и ни одна из них не возникает из семени другой формы».

Заслугой Дж. Рея является введение понятия «вид» в биологию (К.М. Завадский, 1968). Он сделал попытку классифицировать и животных. В понимании изменчивости видов больше придерживался идей их постоянства, хотя иногда допускал и пре­вращение видов (И.И.Мечников).

Жозе́ф Питто́н де Турнефо́р (1656, — 1708) Исследования Ж. Турнефора содержали описание 500 видов растений, выделенных по строению цветка (безлепестковые и лепестковые). Лепестковые он делил на одно- и многолепестковые. Он подчеркивал, что изучение каждого растения следует начинать с цветка и венчика, затем перейти к плоду. Другие признаки растений не могут сравниться с ними по значимости для классификации. Он различал такие категории систематики как класс, секция, род и вид. Особенно его классификация отличалась детальным описанием родов. Все растения он делил на 18 классов: розоцветные, губоцветные, крестоцветные, мотыльковые, злаковые и др.

В этот же период возникают новые направления в экспериментальной ботанике, закладываются основы изучения пола и тонкого строения растений. Так, Рудольф-Яков Камерариус (1665—1721) в работе «О поле у растений» (1694) обращает внимание на существование одно- и двуполых цветков, одно- и двудомных растений, различную судьбу опыленных и неопыленных цветков, прослеживает развитие пыльников, участие пыльцы в опылении и оплодотворении. При этом проследил развитие семени у шелковицы, клещевины, конопли и других растений, конкретизировал женский и мужской органы размножения в опытах с удалением тычинок и пестика. На примере хвощей и плаунов подобные попытки завершились неудачами, причины их он не смог объяснить. Не смог понять и явление оплодотворения без микроскопического контроля, необходимость последнего он ясно понимал.

Принципиальное значение для развития ботаники имели исследования по изучению анатомической структуры растений. Это стало возможным лишь после конструирования Г. Галилеем в начале XVII в. микроскопа (С.Л. Соболь, 1949), с усовершенствованием которого отмечен переворот во многих областях биологии.