Физико-химическая биология

Название физико-химическая биология имеет два смысла. Во-первых, это понятие означает, что предметом исследования данного направления науки являются объекты живой природы, которые изучаются на физико-химическом уровне, т. е. на молекулярном и надмолекулярном уровнях. С другой стороны, сохраняется и первоначальное значение этого термина: использование физико-химических методов для расшифровки структур и функций живой природы на всех уровнях ее организации. Так или иначе, физико-химическая биология в наибольшей степени содействовала сближению биологии с точными науками и становлению естествознания как единой науки о Природе. Биологи-экспериментаторы, в принципе, уже давно использовали различные точные физико-химические методы в своей работе. Среди них были Л. Пастер (1822-1895), И. М. Сеченов (1829-1905), И.П. Павлов (1849-1936), И. И. Мечников (1845-1916) и многие другие. Именно они проложили путь к раскрытию сущности процессов жизнедеятельности живых организмов. С тех пор точные методы, которыми пользуются ученые и экспериментальная техника шагнули далеко вперед. Создание новых методов стимулировало научный поиск, а свежие научные открытия, в свою очередь, приводили к созданию принципиально новой аппаратуры.

В настоящее время ученые при поиске истины используют весь арсенал накопленных к настоящему времени методов исследования живого. Среди них - как очень старые - классические методы исследования, так и ультрасовременные, оригинальные методы, иногда разрабатываемые прямо в лаборатории. Наиболее широкое распространение в биологии получили метод меченых атомов (используемый для наблюдения за передвижением и превращением веществ в живом организме), методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии (позволяющие исследовать крупные молекулярные компоненты и субмикроскопические структуры в живых клетках); хроматографические методы (используемые при биохимических исследованиях), спектральные методы и методы зондирования в тканях (позволяющие следить за работой живых органов -ЯМР-томография; УЗИ-томография, оптические зонды и т.д.). Широкое внедрение компьютеров позволило автоматизировать экспериментальные установки и привело к созданию большого количества различных томографов - компьютерной аппаратуры, позволяющей послойно анализировать любой орган или клеточный органоид, не нанося ему вреда.

В отличие от физики и химии, биология пока не располагает такими интегрированными теоретическими знаниями о многообразии живой природы, которые могли бы составить базу для теоретической биологии. На сегодняшний день это достаточно сложная задача. Ведь для создания теоретической биологии необходимо осуществить синтез всех обширных знаний из всех областей биологии и, проанализировав все эти знания о живом, выделить существенные закономерности, которые были бы присущи всем уровням организации живой материи. При этом следует особенно, подчеркнуть тот факт, что речь идет именно о живой, а не мертвой материи и потому в науке теоретической биологии должна быть дана характеристика жизни, не сводимая к физике или химии.

Вместе с тем совершенно очевидно, что живые организмы находятся в постоянном взаимодействии с окружающей природой. Вместе с пищей они поглощают бесчисленное множество органических и минеральных соединений, которые претерпевают биохимические превращения в живом организме и затем (в виде продуктов распада) выводятся вновь в окружающую среду. Строительным материалом для живых клеток являются макромолекулы: белки, фосфолипиды, жиры, нуклеиновые кислоты. Гормональная регуляция, осуществляемая в организме, производится так же химическим путем. В общем, куда ни брось взгляд - всюду химия! А химическое учение основано на конкретных физических закономерностях. Вот и получается, что и без физики в биологии "далеко не уедешь"! Именно эти две науки, выбрав своим объектом исследования живые ткани и клетки, смогли дать ответы о том как устроены живые структуры на молекулярном уровне, связать работу живых клеток с химическими и физическими превращениями биомолекул.

Объединение биологии с химией породило новую науку - биохимию, целью которой является изучение структуры и свойств биомолекул одновременно с их метаболизмом в живых тканях и органах, т. е. с изменениями этих молекул внутри живого организма. В числе открытий, сделанных биохимиками, - выяснение принципов переноса энергии в клетке, расшифровка механизмов, регулирующих основные пути метаболизма, установление роли мембран, рибосом и других ультраструктурных элементов клеток, выяснение того факта, что последовательность аминокислот опреде­ляет пространственную структуру белков, а, следовательно, и их биологичес­кие функции, познание молекулярных основ генетики. По сути биохимия пытается объяснить все существующие явления, происходящие в клетке или в живых жидкостях и тканях на языке, понятном химикам. Такой шаг открывает широкие перспективы для возможностей регуляции и корректировки функций живого химическим путем. Он находит свое непосредственное применение в фармацевтике, медицине и сельском хозяйстве.

На стыке биохимии, биологии и физики в 1950 гг. возникла новая наука - биофизика. Целью этой науки является объяснение ряда биологических явлений с точки зрения физики. Биофизики, рассматривая сложное биологическое явление, делают попытку расчленить его на несколько более элементарных, доступных для понимания актов - ступеней этого явления и исследуют затем их физические свойства. Методами биофизики было дано объяснение механизмам мышечного сокращения, проведения нервного импульса, актов ферментативного катализа; предложены модели многих автоколебательных процессов, наблюдаемых в биологии, объяснены тайны фотосинтеза. Биофизиков можно встретить сегодня в любой биологической лаборатории, начиная с экологической и заканчивая лабораторией молекулярной генетики. Спецификой биофизического знания является умение оперировать понятиями всех уровней биологии и биохимиии.

Биофизика и биохимия осуществили давнюю мечту биологов об объединении знаний о структуре и функциях организма в целом. Однако, ни, биохимия, ни биофизика не могут дать ответа на основной вопрос биологии: чем живая материя отличатся от неживой и что является толчком при зарождении жизни.

3. Эволюционная биология. Теория эволюции Ч. Дарвина

Для живой природы развитие во времени - неотъемлемое и наиболее характерное свойство. В биологии эта концепция обрела функции платформы, на которой происходит синтез разнородного специализированного биологического знания. В итоге сформировалась достаточно самостоятельная область знаний - эволюционная биология.

Вам, конечно, хорошо известны основы дарвинизма из курса средней школы. Ч. Дарвин создал свою теорию будучи типичным натуралистом: его учение - плод пристальных наблюдений за живой природой в самых различных ее проявлениях. Весьма скромные в его времена знания о химическом составе организмов и процессах обмена веществ не имели для него сколько-нибудь существенного значения. Тем не менее одних только наблюдений и описаний оказалось достаточно, чтобы родилась главная идея, переросшая затем в целостную теорию - идея естественного отбора. Ч. Дарвину удалось выявить такие факты, которые при их обобщении, как оказалось, имеют универсальное значение. Идея развития (или эволюции), а также исторический метод были взяты на вооружение всем естествознанием.

Облик эволюционной биологии как науки сложился в результате объединения двух потоков знаний: самого эволюционного учения и знаний, полученных другими науками относительно эволюции и ее механизмов. Содержание эволюционной биологии постоянно расширяется. Новые научные достижения в молекулярной биологии, цитологии (науке о строении и функционировании живых клеток), палеонтологии способствуют этому. Ученые даже всерьез подумывают: а не пора ли провести новый эволюционный синтез полученных знаний. В его осуществлении многие биологи видят путь к оформлению самостоятельной дисциплины - теоретической биологии. Однако, ряд ученых считают, что уровень достигнутых знаний пока еще недостаточно высок для подобной революции в биологии.

Формы и уровни жизни

Все объекты живой и неживой природы по строению представляют собой системы, для которых характерно иерархическое соподчинение входящих в них элементов, т. е. структурных уровней организации. Самые элементарные из них относятся к области познания физики, - это электроны, протоны, другие элементарные частицы. Затем идут атомные уровни, молекулярные уровни, изучением которых занимаются как физика, так и химия. За молекулярным уровнем следует субмолекулярный, - уровень исследования работы макромолекул как единого целого; и так далее, вплоть до уровня организмов и сообществ из них. Каждый нижележащий уровень располагается как бы в оболочке вышележащего уровня и сохраняет его особенности. Действительно, молекулярный состав мембраны клетки будет отличаться, например, от молекулярного состава ядра клетки, а конкретный химический элемент будет всегда иметь свое, отличное от других строение электронных оболочек. Конкретизация знания об объекте предполагает суммирование знаний о его строении на всех уровнях знаний. А изучение каждого уровня организации живой материи должно иметь биологический смысл, т.е. должно быть направлено на изучение феномена жизни, а не просто структуры ее физико-химической организации.

Это задача невероятно сложная и не всегда выполнимая. Среди ученых есть откровенные противники структурирования и выделения уровней познания при изучении биологических объектов. Они считают жизнь уникальным явлением, не подлежащим сухому анализу и рассматривают проявления жизни во всем ее многообразии. Безусловно, эта идея очень привлекательная, но трудно не согласиться с тем фактом, что биологические явления сами по себе - явления достаточно сложные для изучения и понимания, сложные по своей органической структуре и по своим функциональным проявлениям. Поэтому ясно, что без деления такой сложной системы на отдельные части, которые был бы в силах охватить мозг исследователя просто не обойтись. Деление же на части или уровни исследования происходит в соответствии с реальными структурными уровнями живого объекта.

Проблема различной степени упорядоченности и организованности живой материи возникла у натуралистов еще в XVIII - XIX в. Первым толчком к ее проявлению послужило провозглашение в 1830-e годы клеточной теории. А в 1846 г. М. Шлейден - один из основателей этой теории – сформулировал положение о существовании живых тел "различного порядка организован­ности". Незадолго до этого Э. Геккель выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки не однородна, а состоит из каких-то надмолекулярных частиц, названных им пластидулами. С одной стороны утверждалась идея дискретности, т. е. делимости целого на структуры более низкой организации, а с другой - этим структурам приписывалась постоянная и самостоятельная функция.

В первой половине XIX в. в биологии появляется история теории систем. Одна из первых ее страниц была посвящена редукционизму, представляющему собой механистический материализм. Согласно ему все высшее сводится к низшему: процессы жизнедеятельности - к совокупности их физико-химических реакций. Качественное своеобразие

живого отрицалось. Противников "редукционистов" вто время называли виталистами. "Виталисты" утверждали, что органическое целое невозможно свести к простой сумме его частей и оно управляется божественной силой. Несколько в стороне находились взгляды экспериментирующих биологов, придерживавшихся физиологического детерминизма. Так К, Бернар, полагал, что все структуры и процессы в многоклеточном организме определяются внутренними причинами организма, поиском которых необходимо заниматься ученым.

В 1920 годы американские философы Г. Браун и Р. Селларс разработали новое понятие: структурные уровни. Согласно их теории, эти уровни различаются не только классами сложности, но и закономерностями их функционирования. Они выдвинули идею иерархической соподчиненноcти уровней, вхождение каждого последующего уровня в предыдущий с образованием единого целого, в котором низкий уровень "виден" в самом высшем. Так родилась концепция многоуровневой иерархической "матрешки".

Данная концепция - это не теория жизни. Но она является эффективным инструментом для получения комплексного, интегрирующего знания, которое может служить базой для возведения теоретической биологии.

Приведем схему классификации структурных уровней организации материи в порядке возрастания сложности:

 

  ЭЛЕМЕНТАРНЫЕЧАСТИЦЫ → АТОМЫ → МОЛЕКУЛЫ →

 МАКРОМОЛЕКУЛЫ → КОМПЛЕКСЫ МАКРОМОЛЕКУЛ →

ОРГАНЕЛЛЫ КЛЕТОК → КЛЕТКИ → ОРГАНЫ И ТКАНИ →

МНОГОКЛЕТОЧНЫЕ ОРГАНИЗМЫ → СТАДО → РОД → ПЛЕМЯ

 

                            5. Молекулярно-генетический уровень

Одно из главных событий в истории биологии XX в. - выход эксперимен­тальной физико-химической биологии на изучение молекулярного уровня живой природы. В результате исследований на молекулярно-генетическом уровне произошло не только слияние отдельных биологических дисциплин в "единый фронт" наук, но и тесное сближение биологии со смежными ей физикой и химией. А это значит, что проблемы, считавшиеся раньше чисто биологичес­кими, теперь стали по-существу проблемами всего естествознания. На страницы научной литературы "хлынул" поток фактического материала, оценить который как принадлежащий какой-либо конкретной науке практически невозможно.

Существует три главные проблемы, которые стали объектом исследования на молекулярном уровне:

1. Происхождение жизни.

2. Молекулярно-генетический подход к изучению эволюции.

3. Изучение молекулярных основ воспроизводства жизни и процессов
жизнедеятельности.

5.1. Происхождение жизни

Целая эпоха в истории изучения проблемы происхождения жизни связана с трудами А.И. Опарина и его учеников. Пик исследований ученого приходится на 1950-70 годы, хотя основополагающий его труд "Происхождение жизни" был опубликован еще в 1924 г. Уже в нем были изложены все те идеи, которые составили основу гипотезы Опарина. Главная из них - зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой.

Опарин предложил новую идею химической эволюции, - когда под воздействием сильнодействующих физико-химических факторов (температуры, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, электрических разрядов большой мощности и атмосферного давления) происходит самопроизвольное превращение ряда неорганических соединений в органические "кирпичики жизни" - аминокислоты, нуклеозиды и нуклеотиды, простейшие полисахариды и в молекулы АТФ, способные запасать химическую энергию.

Идея химической эволюции в 1920 годах "носилась в воздухе". Подобного рода эксперименты были распространены во многих лабораториях мира. Это не удивительно, - химия в то время былав зените славы и процветания. Однако, перед учеными, поддержавшими идею химической эволюции сразу же возник риторический вопрос: а что произошло раньше - аминокислоты и белки или же молекулы, ответственные за воспроизводство живого - нуклеотиды и нуклеозиды. Другими словами, еще в те годы был поставлен вопрос о происхождении всем известной "курицы и ее яйца", но только на молекулярном уровне. Гипотезы, утверждавшие первичность структуры, наделенной способностью к обмену веществ при участии ферментов (т.е. белков), объединялись под шапкой голобиоз, а гипотезы, утверждающие первичность молекулярной системы, включающей в себя генетический код, назывались генобиоз.

Одной из сильных сторон гипотезы Опарина является то, что она находится в соответствии с гипотезой эволюции добиологической (неживой) материи и зарождение жизни представлено в ней как закономерный процесс. Вторая сильная сторона - возможность экспериментальной проверки основных положений гипотезы в лабораторных условиях. Однако, есть и слабые стороны рассматриваемой гипотезы. Например, гипотеза Опарина допускала возможность самовоспроизведения доклеточных структур при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Поэтому при синтезе аминокислот в лабораторных условиях дополнительно допускалось введение в "первичный бульон" химически сложных готовых "блоков", например, ферментов, без которых реакция не шла. В последние годы представители научной школы А.И. Опарина, оставаясь, в основном, на позициях его гипотезы, признают нерешенность главного вопроса всей проблемы - что именно является движущей силой саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической? Иными словами, в рамках гипотезы Опарина не удается объяснить главную проблему: причину того таинственного скачка от неживой материи к живой, который и знаменует собой начало жизни в том "земном" виде, в котором она нам известна. Но это главный недостаток всех естественно-научных гипотез о происхождении жизни. И он будет преодолен, когда станет ясно, что такое жизнь, как она возникла, и когда ученые смогут в лаборатории из макромолекул произвести сборку живого организма (разбирать уже научились).

Креационистские (от лат. creatio - создаю) гипотезы, в отличие от естественно-научных гипотез, объясняли происхождение жизни существова­нием Бога - Создателя, основывая свое учение на Библии: "И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву, сеющую семя, дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его на земле. И стало так." (Бытие, гл.1, стих 11).

Согласно Библии, вслед за растениями Бог создавал животных из воды: "И сотворил Бог рыб больших и всякую душу животных пресмыкающихся, которых произвела вода по роду их, и всякую птицу пернатую по роду ее. И увидел Бог, что это хорошо. И благословил их Бог, говоря: плодитесь и размножайтесь, и наполняйте воды в морях и птицы да размножатся на земле" (Бытие, гл. 1, стихи 21 - 22).

Затем, в соответствии со своим замыслом, Создатель производит "зверей земных по роду их, и скот по роду его, и всех гадов земных по роду их." (Бытие, гл.1, стихи 25).

В креационистской модели сотворения мира животный и растительный миры создаются сразу по желанию Бога во всей своей красе и во всем разнообразии. Каждый род и вид флоры и фауны уникальны с самого рождения, потому что являются воплощением Божественного Плана, а не случайной стихии природы. Воля и энергия Творца служат первым толчком для превращения неживой материи ("воды" и "земли") в живую. Эволюционная идея превращения одного рода в другой путем естественного отбора с позиций этой теории представляется ненужной: природа изначально была создана в совершенной гармонии с окружающим миром.

Ну, а гипотеза биологов о том, что у обезьяны и человека был общий предок с точки зрения креациониста, звучит и вовсе кощунственно. Ведь Бог создал людей по своему образу и подобию и поставил их над всей природой: "... И да владычествуют они над рыбами морскими, и над птицами небесными, и над скотом, и над всею землею, и над всеми гадами, пресмыкающимися по земле".(Бытие, гл.1, стих 26).

Креационистские гипотезы происхождения жизни не являются научными, так как не выдерживают проверки принципом фальсификации, согласно которому истинно научная теория должна пересматриваться при появлении новых фактов, которые теория не может объяснить.

Заметим, что русский ученый В.И. Вернадский (1863-1945) решал вопрос о происхождении жизни на Земле совершенно иначе. Он "вынес" зарождение жизни за пределы земной поверхности, считая, что жизнь на нашу планету была "занесена" из космоса. Утверждая, что живое на Земле может порождаться только живым, он придерживался "принципа Реди", сформулированного в 1668 г., итальянским ученым - врачом Ф. Реди: "Все живое происходит только из живого". Сегодня идеи В.А. Вернадского актуальны и рассматриваются наряду с другими, но проблема происхождения жизни остается открытой.