Концепции современной биологии

Предмет биологии

Биологию в соответствии с этимологией слова (от греч. bios — жизнь и logos — слово, учение) можно в первом приближении определить как науку о жизни. Имея в виду, что до сих пор во всей Вселенной нам известна лишь одна, а именно — земная, форма жизни, уместно это ограничение ввести и в само определение науки о ней: биология — это наука о жизни во всем разнообразии проявления ее форм, связей и отношений на Земле. О том, сколь разнообразны формы жизни и ее проявления и, соответственно, сколь велико число частных, специальных наук, на которые распадается биология как паука о жизни, сейчас хорошо известно любому, окончившему среднюю школу. Все эти частные области биологической науки находятся в состоянии активного развития и содержат немалое число концепций (идей, гипотез, фактов), многие из которых представляют несомненный общегуманитарный интерес. Естественно, что нет ни малейшей возможности рассмотреть их все, поэтому элемента субъективности при отборе материала не избежать. Критерий же здесь один — отбор тех предельно общих концепций современной биологии, рассмотрение которых прямо выводит на осмысление философских (мировоззренческих, смысложизненных, методологических) проблем наших дней. В соответствии с этим уместно остановиться на разъяснении трех ключевых понятий — «современная биология», «жизнь» и «общая теория жизни» (или теоретическая биология).

Термин «современная биология» стал активно внедряться в общественное сознание с конца 1960 — начала 1970;х гг. Чаще всего его применение связывается с теми выдающимися открытиями в области физико-химической биологии, начало которым было положено в 1944 г. доказательством того, что таинственным «веществом наследственности» является особый класс химических образований, именуемых ДНК. В 1953 г. была раскрыта всем известная теперь структура ДНК в виде двойной спирали, а к началу 1960;х гг. были в основном поняты механизмы ее «деятельности», обеспечивающие выполнение двух главных функций: самовоспроизведения (репликации) и регулятора процесса биосинтеза белков в клетке. В эти же годы был расшифрован код наследственной информации и сформулированы два важнейших принципа молекулярной биологии:

• 1) принцип комплементарное™;
• 2) «центральная догма» молекулярной биологии, в соответствии с которой информация в живой клетке передается только по линии ДНК —> РНК —? белок.

Это были действительно выдающиеся достижения биологии середины XX в., которыми можно маркировать этап, отделяющий «современную биологию» от традиционной (классической, описательной). Но в этом случае необходимо сделать две в высшей степени важные оговорки. Прежде всего, следует иметь в виду, что не менее важные и значимые как в практическом, так и в теоретическом отношении события происходили и во многих других областях биологии, в том числе и в исследованиях, проводимых на уровне видов и популяций, биоценозов и экосистем, на уровне биосферы в целом, наконец. Достаточно упомянуть такие достижения нейрофизиологии, как установление факта межполушарной функциональной асимметрии головного мозга или раскрытие основных принципов распространения нервного импульса. В эти же десятилетия формулируется тот мощный корпус идей и концепций, которые лежат в основе современной этологии и экологии (в том числе и экологии человека и социальной экологии). Особенно следует выделить бурное развитие популяционной биологии и, прежде всего, такого ее раздела, как математическая генетика популяций. Именно она, как известно, стала своеобразным «мостом» между менделевской генетикой и классическим дарвинизмом, стержнем и основанием подлинно современной версии синтетической концепции эволюции, получившей название СТЭ.

Кроме того, середина XX в. — это еще и возникновение и стремительное внедрение в биологию методов кибернетики и теории информации. Они буквально революционизировали многие области биологии. Без них невозможно представить себе и развитие молекулярной биологии, где чистая «химия» во многом была переинтерпретирована в терминах кибернетики, теории информации, теории связи и криптографии.

Вторая оговорка касается преемственности научнобиологического знания. Сколь бы радикально новыми не были перечисленные достижения, они отнюдь не закрывают и не перечеркивают ни одного из достижений биологии классического периода ее развития. Появление многих открытий не могло бы совершиться, а свершившись, не могло быть в полной мере понято без таких достижений биологии прошлых столетий, как учение о клетке и клеточном строении живых организмов, теория естественного отбора Ч. Дарвина, теория корпускулярной наследственности Г. Менделя и многие другие.

Несмотря на то, что весь XX в. отмечен выдающимися достижениями в самых разных областях современной биологии, касающихся самых тонких и глубинных механизмов функционирования живых систем, вопрос о том, что такое жизнь (и вопрос о ее происхождении) до сих пор остается предметом острых дискуссий. Ситуация здесь порой выглядит столь удручающей, что наводит многих серьезных исследователей даже на мысль о принципиальной невозможности определить сущность жизни. Так, в одной из первых монографий с названием «Современная биология» ее автор, известный немецкий ученый и популяризатор науки Г. Боген, начинает первую главу с параграфа, который так и называется «Можно ли и должно ли дать определение жизни?». И вот что любопытно. «Принято считать, — пишет он, — что, перед тем как всерьез обсуждать тот или иной вопрос, нужно прежде всего точно определить объект обсуждения и дать ему четкое определение». «Но, — решительно утверждает он далее, — что касается объекта науки биологии, т.с. жизни, то здесь упомянутое требование попросту невыполнимо. Может быть правильнее всего сказать, что жизни вообще невозможно дать исчерпывающее определение». Тем не менее, такая точка зрения представляется всетаки чрезмерно (и далее неоправданно) пессимистической.

Долгое время вопрос о природе (сущности) жизни был почти исключительно предметом философских споров между представителями витализма — сторонниками существования особой жизненной силы, и механицизма, с точки зрения которых живые системы есть ничто иное как машины, подчиняющиеся в своем функционировании обычным законам физики и химии, но лишь в более сложной их комбинации, чем это имеет место в неживой природе. И лишь по мере все более полного описания и все более глубокого осмысления различных механизмов жизнедеятельности обсуждение вопроса о том, «что такое жизнь?» стало вводиться в научно-конструктивное русло.

Первой влиятельной идеей по этой проблеме, господствовавшей в науке, по существу, до 1930;х — 1940;х гг., стало понимание жизни как процесса активного и целесообразного поддержания той специфической материальной структуры, формой проявления которой является сама эта активность. Вот как писал в 1930;е гг. один из ведущих биологов того времени Дж. Холдейн: «Активное поддержание нормальной и притом специфической структуры и есть то, что мы называем жизнью; понять сущность этого процесса — значит понять, что такое жизнь». Главным механизмом поддержания этой специфической структуры считался процесс обмена веществ (и, соответственно, энергией) организмов с окружающей средой, а главным материальным носителем этой способности — белок.

Однако постепенно по мере осознания фундаментальной значимости генетических структур во всех процессах жизнедеятельности, ученые все чаще приходят к мысли, что главным процессом, характеризующим жизнь, является не столько процесс обмена веществ, сколько способность всех живых систем к самовоспроизведению, посредством которого жизнь сохранялась именно в смене (потенциально бесконечной) череды поколений. Выдающийся американский генетик, лауреат Нобелевской премии Г. Меллер еще в 1926 г. написал работу «Ген как основа жизни», в которой обстоятельно обосновал мысль, что благодаря уникальной способности генов к самоконированию и сохранению своей специфичности даже в случае изменения (мутирования) своей структуры, именно они должны рассматриваться в качестве главных кандидатов на роль подлинно материальной основы жизни и ее эволюции путем естественного отбора. При этом тогда никто не сомневался, что с химической точки зрения гены представляют собой белки. Однако вопреки этим ожиданиям оказалось (это окончательно было доказано только в 1944 г.), что гены — это не белки, а представители совсем другого класса биополимерных молекул, а именно нуклеиновых кислот. Появился соблазн определить жизнь как форму существования ДНК, но к этому времени уже пришло осознание того, что жизнь не может быть свойством тел, веществ, а только свойством систем, т. е. чего-то, что возникает в результате взаимодействия различных тел, веществ, структур, сил, полей и т. д. Открылась перспектива раскрыть тайну жизни на пути расшифровки механизмов взаимодействия двух важнейших классов биополимеров — нуклеиновых кислот и белков.

С выходом в свет в 1948 г. работы выдающегося американского математика Н. Винера «Кибернетика», исследование проблемы природы и сущности жизни получило еще одну руководящую идею — идею самоуправления (точнее — сохраняющего самоуправления). То, что живые организмы способны автоматически поддерживать важнейшие параметры своего функционирования в границах рабочей нормы, было известно давно. Уже в XIX в. на явление гомеостазиса (т.е. поддержания постоянства внутренней среды организма) как па, возможно, самое главное, что характеризует жизнь, обратил внимание выдающийся французский физиолог К. Бернар. С кибернетикой же пришло осознание решающей роли информации как важнейшего фактора процессов саморегулирования и самоуправления жизненными процессами. В литературе замелькали такие определения жизни: «Жизнь есть способ существования органических систем, организация которых от молекулярного до системного уровня определяется использованием их внутренней информации» или «Живое — это такая форма существования информации и кодируемых ею структур, которая обеспечивает воспроизводство этой информации в подходящих условиях внешней среды» и др.

Эти три потока идей, идущие из трех разных областей исследования живого (биохимии, генетики и кибернетики), самым неожиданным и в высшей степени изящным образом были объединены в рамках молекулярной биологии, стремительно сформировавшейся после эпохального события — раскрытия структуры ДНК, позволившего понять ее как носителя кода наследственной информации, как своего рода «текст», в содержании которого записана программа формирования всех важнейших структур и отправлений его носителя, в том числе и программа собственного самовоспроизведения (самокопирования). Оказалось, что для реализации этой программы в равной мере важно наличие в клетке и определенного класса белков. Получается, что без нуклеиновых кислот невозможно образование белков, но, с другой стороны, без наличия белков невозможна специфическая активность нуклеиновых (и прежде всего дезоксирибонуклеиновых) кислот. Поэтому большинство исследователей — специалистов на сегодня считает, что жизнь на Земле появилась тогда, когда возникла открытая, т. е. непрерывно обменивающаяся со средой веществом, энергией и информацией система взаимодействующих полимеров (главными из которых являются нуклеиновые кислоты и белки), способная к самовоспроизведению, авторегуляции, развитию и эволюции.

С современной точки зрения именно самовоспроизведение, саморедупликация, а точнее даже — конвариантная (т.е. идущая с вариациями) редупликация составляет то главное, что конституирует систему взаимодействующих полимеров как живую. Именно это свойство лежит в основе деятельности естественного отбора (из вариантов), что и приводит к приспособительному изменению исходных систем, т. е. их эволюции, росту их сложности и разнообразию, образованию иерархической системы таксонов живой природы, возрастающей степени индивидуализации живых организмов, росту их активности, целенаправленности и целеустремленности поведения, а на вершине этого процесса — росту ментальности и активной преобразовательной деятельности, подготовивших появление человека и общества как исходного пункта нового, культурноисторического этапа в развитии жизни на Земле.

Необходимо, однако, сказать, что наряду с этой генеральной линией проблематики сущности жизни, существовали и другие, не менее важные для более глубокого прояснения этих вопросов в будущем. Так, еще в 1944 г. один из выдающихся физиков XX в. Э. Шредингер выпустил книгу под названием «Что такое жизнь с точки зрения физики?», в которой подверг глубокому анализу важнейшие свойства жизни с точки зрения фундаментальных законов физики. Эта линия осмысления природы жизни нашла затем свое продолжение в современной биофизике, а также, в частности, в теории диссипативных структур и синергетике. В то же время еще в 1931 г. в статье под названием «Об условиях появления жизни на Земле» русский ученый В. И. Вернадский обосновал совершенно новое понимание жизни как изначального свойства биосферы в целом. С этой точки зрения жизнь, в известном смысле, древнее отдельно взятых живых организмов, поэтому, как пишет современный американский биофизик Г. Патти, «центральный вопрос происхождения жизни — это не вопрос о том, что возникло раньше, ДНК или белок, а вопрос о том, какова простейшая экосистема». Таким образом, на сегодня до окончательного ответа на вопрос о том, «что такое жизнь?» еще весьма далеко, и эта область научных и философских исследований ждет свежих идей от нового поколения талантливых энтузиастов.

С вопросом о сущности жизни (и возможности ее сколько-нибудь точного и исчерпывающего определения) тесно связан вопрос о возможности того, что часто именуют «общей теорией жизни» или «теоретической биологией». Для любой науки вопрос о путях и возможностях ее теоретизации является принципиально важным, поскольку принято считать, что степень зрелости любой научной области прямо пропорциональна степени ее теоретизации. Однако вопрос о возможности и путях построения теорий во всех науках, за исключением физики и химии (как и математики, разумеется), всегда представлял собой серьезную философско-методологическую проблему. В биологии этот вопрос был предметом острейших дискуссий на протяжении всего XX в.

Еще в 1930;е гг. целым рядом выдающихся биологовмыслителей — Людвиг фон Берталанфи, Э. Бауэр, Н. Рашевский и др. — была сформулирована задача построения теоретической биологии, которая бы по степени общности, дедуктивной строгости и предсказательной силе не уступала теоретической физике. С тех пор дискуссии на эту тему непрерывно сопровождали развитие биологической науки и отнюдь не завершились в наши дни. Поэтому, возможно, полезно посмотреть на сегодняшнюю ситуацию в этой области в более широкой исторической перспективе.

Несмотря на то, что биология относится к числу старейших научных дисциплин, сложность и разнообразие форм живых организмов долгое время были серьезным препятствием для выдвижения идей общего порядка, опираясь на которые можно было бы сформулировать научное видение живой природы как единого целого. Только в 1735 г. К. Линнеем был сделан в этом направлении первый решительный шаг: с помощью предложенной им бинарной номенклатуры он построил первую искусственную классификацию всех известных тогда растений и животных. В XIX в. этот процесс объединения данных различных биологических наук в единую картину живой природы как единого целого был продолжен вначале Т. Шванном (1839) с помощью клеточной теории строения живых организмов, а затем Ч. Дарвиным (1859), показавшим историческое единство всего живого на Земле в рамках теории эволюции путем естественного отбора. Важным этапом на пути развития общей биологии явился 1900 г., когда тремя авторами независимо друг от друга были переоткрыты законы Г. Менделя и положено начало развития генетики, исходящей из положения о существовании единых дискретных материальных носителей наследственных свойств всех живых организмов и единого механизма их передачи из поколения в поколение по линии предок-потомок. Как уже говорилось выше, в 1944 г. была раскрыта химическая природа этого «вещества наследственности» (ДНК), а в 1953 г. раскрыта его структура. Этим была положена эра «молекулярной биологии», внесшей с тех пор исключительный вклад в дело понимания единых механизмов функционирования всего живого на Земле на молекулярном уровне. Наряду с этим в первой половине XX в. шла интенсивная обобщающая работа и на «надорганизменном» уровне организации жизни: учения об экосистемах (А. Тенсли, 1935), биогеоценозах (В. Н. Сукачев, 1942), о биосфере в целом (В. И. Вернадский, 1926).

В результате всех этих усилий к середине XX в. было достигнуто единое понимание жизни как многоуровнего, но единого целого, а биология стала пониматься как наука о живых системах на всех уровнях их сложности — от молекул до биосферы в целом.

Однако все попытки продвинуться в этом направлении наталкиваются на непримиримые разногласия среди современных биологов как раз по вопросу о дальнейших генеральных линиях и путях формирования теоретической биологии. Так, одни авторы видят будущее теоретической биологии преимущественно (или даже исключительно) в развитии комплекса наук, изучающих молекулярные, физико-химические основы жизни, и именно физике отводят роль теоретической основы всей классической (описательной) биологии. На другом полюсе находятся исследователи, которые связывают надежду на создание теоретической биологии с дальнейшей разработкой идеи системной организованности живой природы. Однако подавляющее большинство биологов продолжает считать эволюционный подход и эволюционную теорию (т.е. теорию естественного отбора в ее современной интерпретации) наиболее общей теоретической концепцией биологии. Обсуждение этого комплекса вопросов в наши дни инициировало постановку большого числа философских и методологических проблем. На смену многовековой дилемме «механицизм или витализм» пришла оппозиция «молекулярная биология или органицизм», имеющая самые разные формы своего выражения: редукционизм или холизм, редукционизм или композиционизм и др. К числу наиболее остро и продуктивно дискутируемых в последние десятилетия XX в. философских и методологических вопросов на материале современной биологии можно отнести проблему редукции, проблему телеологии, проблему структуры эволюционной теории и существования специфических «законов эволюции», проблему соотношения биологического и социального в происхождении и эволюции человека и вообще проблему существования биологических корней морали, религии и других фундаментальных реалий ценностно-духовного мира. На некоторых из этих проблем мы остановимся ниже.