Экспериментальная биология. 
История и методология науки

Во 2-й половине XIX в. зарождается такое направление, как экспериментальная биология. Оно было связано с работами К. Бернара, Л. Пастера, И. М. Сеченова и др.

В основу исследования процессов жизнедеятельности легли точные физико-химические методы; ученые к расчленению биологической целостности организма с целью проникновения в тайны его функционирования. Подобные исследования довольно быстро вышли за пределы теории и получили возможности для практической реализации. Так, Л. Пастер (1822—1895) стал одним из разработчиков методик борьбы с эпидемиями (и способа хранения продуктов, получившего его имя). Примечательно, что российские биологи активно включились в борьбу с инфекционными заболеваниями, активно обмениваясь информацией с парижским Пастеровским институтом. Центром изучения и разработки методики борьбы с эпидемиями стала Одесса, где в 1880-е гг. биологи И. И. Мечников и Н. Ф. Гамалея организовали собственную лабораторию, а чуть позже — станцию по борьбе с инфекциями. И. И. Мечников (1845—1916) стал одним из известнейших мировых ученых в области эволюционной эмбриологии, эпидемиологии и проблем иммунитета (за работы по изучению иммунитета в 1908 г. он получил Нобелевскую премию); он был одним из руководителей Пастеровского института в Париже. Еще одним интересным направлением, которое разрабатывал И. И. Мечников, стали вопросы старения организма. Именно ему принадлежит афоризм, что старость — это такая же болезнь, как и все остальные^[1]. Она возникает от постоянного отравления организма человека различными микробами, которое можно было нейтрализовать, регулярно соблюдая кисломолочную диету и ведя определенный образ жизни. И. М. Сеченов (1829—1905) превратил физиологию в клиническую дисциплину.

Таким образом, в конце XIX в. биология, пройдя стадию пассивной классификации знаний и стадию активного изучения биологических процессов, перешла к стадии применения научных данных в повседневной жизни человека.

Биология XIX в. имела огромное мировоззренческое значение: дарвинизм стал одним из символов прогресса, а физиология открыла путь к ранее неизвестным связям между мыслью и действием. О том, насколько интересовали достижения биологии широкое население, говорит тот факт, что работа Сеченова «Рефлексы головного мозга» была написана им для популярного журнала «Современник».

Генетика. В 1865 г. австро-чешский естествоиспытатель аббат Г. Мендель (1822—1884) открыл законы наследственности, по которым наследственный признак не «растворяется» в ряду поколений, а переходит (в случае рецессивности) в гетерозиготное состояние и может проявить себя в популяции. Долгие годы работы Менделя были малоизвестны; его законы были переоткры гы практически одновременно с открытием самих сочинений.

В начале XX в. Э. Чермак, Г. де Фриз и К. Корренс исследуют гибридизацию растений и подтверждают количественные и качественные выводы Менделя. Возникает новое научное течение, получившее название генетики.

В 1911 г. Т. Морган с учениками и сотрудниками исследует плодовую мушку Drosophila melanogaster и разрабатывает хромосомную теорию наследственности.

Таким образом, биология вышла из состояния описательной науки и начала формировать экспериментально обоснованные теоретические модели.

В СССР судьба генетики оказалась довольно драматичной. Но до момента своего полного уничтожения в середине 30-х годов советская генетика была активно развивающей отраслью науки, теоретические и практические выводы которой получали мировое признание. В этой области работали С. С. Четвериков, Н. В. Тимофеев-Ресовский, Н. И. Вавилов, Г. А. Надсон, Н. К. Кольцов и другие ученые.

Трагична была судьба лидера генетических исследований Н. И. Вавилова (1887—1943) — автора теории гомологических рядов, теории происхождения культурных растений и организатора сбора уникальной коллекции растений, пережившей ленинградскую блокаду. Сам Н. И. Вавилов был репрессирован, приговорен к расстрелу (который позднее заменили на 20 лет заключения) и умер в тюрьме в 1943 г., несмотря на заступничество видных деятелей советской науки, в том числе его брата, физика академика С. И. Вавилова.

Закон гомологических рядов Вавилова звучит так:

Генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов^[2].

Н. В. Тимофеев-Ресовский совместно с А. С. Серебровским изучал структуры и функции генов. Позже Н. В. Тимофеев-Ресовский работал в рамках Клампенборгской школы в Германии.

В 1925 г., исследуя мутационные процессы, Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов показали возможность искусственного получения мутаций.

С. С. Четвериков положил начало современной эволюционной и популяционной генетики. Его основной труд носит название «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики» (1926).

Н. К. Кольцов в 1928 г. предсказал матричный механизм репродуцирования генов и биосинтеза белков.

С середины 1930;х гг. началась монополизация биологической науки академиком Т. Д. Лысенко — приверженцем «марксистской» концепции порождения одних видов другими — и его сторонниками. Советская генетика была практически разрушена, а крупнейшие ученые в этой области репрессированы.

Среди практических результатов исследований советских генетиков того периода можно назвать следующие:

• • путь к созданию десятков новых сортов сельскохозяйственных культур;
• • практические достижения в генетике человека и медицинской генетике (генетике нервных болезней, генетических основах психиатрии, феногенетике болезней);
• • комплексное психобиологическое исследование детей и использование полученных данных в организации дошкольного и школьного образования и воспитания (в основу этих работ была положена генетическая в своей основе идея об индивидуальности наследуемых задатков);
• • создание основ для синтетической теории эволюции, ряд важных обобщений в современной биологии (теория нейтральной эволюции, теория молекулярных часов и т. д.).

Молекулярная биология. В 1847 г. из экстракта мышц быка было выделено вещество, названное «инозиновой кислотой». Это был первый изученный нуклеотид. В 1868 г. Ф. Мишер открыл соединение с сильно выраженными кислотными свойствами, содержащее фосфор, которое назвали нуклеином; для него был определен качественный и количественный состав. С 1889 г. нуклеиновые кислоты научились получать в чистом виде, без белковых примесей. В 1935 г. были получены первые кристаллы всех четырех нуклеотидов ДНК.

Следующим шагом было обнаружение химической идентичности нуклеинов и хроматина. Хромосомы находились под пристальным наблюдением генетиков, поэтому сопоставление состава хроматина (основного компонента хромосом) и нуклеинов было важным моментом для понимания роли последних в передаче наследственной информации. Но в тот момент прямую связь еще не выявили, считая, что для такой сложной задачи нуклеотиновые кислоты слишком однообразны.

Теория происхождения жизни Опарина — Холдейна. Ч. Дарвин доказал эволюцию видов, но проблема происхождения жизни как таковой оставалась открытой. Первой теоретической моделью биохимической эволюции стало учение Опарина. Биохимик А. Опарин изложил свои идеи в книге «Происхождение жизни», опубликованной в 1924 г. и переведенной на английский язык в 1938 г. Теорию Опарина поддержал кембриджский профессор Дж. Холдейн, который открыл полемику по проблеме происхождения жизни в статье, опубликованной в 1929 г. Основная идея этой теории заключалась в том, что на ранних стадиях развития Земли существовали условия, которые способствовали возникновению пробиоптов — первичных органических структур, пограничных между живым и неживым. Такие капли, содержавшие макромолекулы — коацерваты, могли возникнуть на поверхности горячего океана (бульона простейших органических соединений) под действием ультрафиолетового излучения и электрических грозовых разрядов в первичной метано-аммиачной атмосфере.

Биофизические исследования. Первый Институт биологической физики был создан в нашей стране еще в 1919 г.

В 1930;х гг. на основе квантовых представлений о природе света была определена чувствительность зрительного аппарата человека (П. П. Лазарсв, С. И. Вавилов). Обнаружено, что в условиях темновой адаптации (привыкание к полной темноте) человек в состоянии регистрировать отдельные кванты света.

В это же время был поставлен вопрос, на который и сегодня еще не получен однозначный ответ: действуют ли короткие и ультракороткие электромагнитные волны, производящие несомненный физиологический эффект, только тепловым способом или существует и другой механизм их воздействия? Исследования в этой области, но, естественно, на новой методической базе, ведутся и сейчас.

Интересные результаты были получены В. В. Шулейкиным в ходе исследования гидрои аэродинамики рыб и птиц. Например, изучен механизм движения летучей рыбы, которая запасает энергию, отталкиваясь хвостом от поверхности воды, а дальнейший полет ведет планированием. Оказалось, что пространственное расположение птиц в летящей стае отвечает минимуму затрат энергии, расходуемой на трение о воздух, и что существует ограниченное число форм расположения стаи, отвечающих этим условиям. Подобно этому минимизируют гидродинамическое сопротивление стаи рыб. Такие результаты имели не только теоретическое значение, но и практическое — они нашли применение в конструировании летательных аппаратов и водных транспортных средств.

В этот же период Н. А. Бернштейн создал новый раздел биофизической науки — количественную биомеханику, имеющую широкое практическое применение в спорте и физиологии труда (предотвращение профессиональных заболеваний). В настоящее время эта теория нашла применение в создании роботов. Можно смело сказать, что многие биофизические исследования 1930;х годов вошли в «золотой фонд» науки.

• [1] Мечников И. И. Этюды о природе человека. М.: Изд-во АН СССР, 1961. С. 9.
• [2] Вавилов II. И. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. М.; Л., 1935.