Исторический портрет Г. Ф. Гаузе

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

«Исторический портрет Г.Ф. Гаузе»

Введение

Научная биография Георгия Францевича Гаузе (1910;1986) просто удивительна. Он внес выдающийся вклад в самые разные области биологии и медицины. И в литературе даже бытует мнение, что существовало два Гаузе. Один исследовал проблемы экологии, эволюционной теории и цитологии, а другой принадлежит к основоположникам современного учения об антибиотиках. На самом деле это был один и тот же исследователь, а его, казалось бы, изолированные работы тесно связаны между собой. Но начнем с краткой биографии.

Детство. Первые шаги в науке

Г. Ф. Гаузе родился в Москве 27 декабря 1910 г. Его отец Франц Густавович Гаузе родился и вырос в Литве, но затем уехал учиться в Санкт-Петербург, где получил специальность архитектора, а впоследствии стал профессором и деканом Московского архитектурного института. Он опубликовал несколько книг по архитектуре, в том числе и «Железобетон в XX веке» (Москва, 1927). Мать Георгия Францевича Иванова Надежда Михайловна была балериной Большого театра, а ее отец играл в ансамбле скрипачей этого же театра. Еще в школе Георгий стал интересоваться зоологией беспозвоночных, а в возрасте 15 лет он познакомился с известным зоологом В. В. Алпатовым, который давал ему литературу и беседовал с ним на различные научные темы. Гаузе был поражен широким научным кругозором Алпатова, особенно в области экологии, генетики и эволюционного учения. В эти годы Георгий Францевич уже начал вести научную работу и занялся проблемами изменчивости, используя биометрические методы. В 1927 году, еще до поступления в университет, он опубликовал в Германии свою первую научную работу, посвященную изменчивости у азиатской саранчи.

В 1927 г. Гаузе поступил в Московский университет на биологическое отделение физико-математического факультета. В то время советское правительство проводило политику по активному набору студентов из представителей рабочего класса. Юноше из интеллигентной семьи трудно было поступить в университет. Георгий Францевич был зачислен в университет лишь благодаря ходатайству директора Зоологического музея университета Г. А. Кожевникова и ученого хранителя коллекций Алпатова.

В лаборатории экологии МГУ

Вскоре после поступления Гаузе в университет Алпатов уехал в США в двухгодичную командировку в качестве Рокфеллеровского стипендиата. Перед отъездом он попросил своего коллегу и друга Е. С. Смирнова руководить научной работой молодого Гаузе. Смирнов сразу же пригласил его поступить «по совместительству» на работу младшим научным сотрудником в возглавляемую им лабораторию Биологического института им. К. А. Тимирязева при Коммунистической Академии, который в то время являлся крупнейшим биологическим научным центром в Москве. Его директором был цитогенетик с мировым именем С. М. Навашин. Участие в научных конференциях и семинарах, активная работа в области математической биологии оказались очень полезными для становления молодого ученого. В стенах Биологического института он выполнил исследования по экологии прямокрылых, результаты которых были опубликованы в международном журнале «Есоlogу».

В 1929 году Алпатов вернулся из США, где он провел два года, работая в лаборатории популяционных исследований при Университете Дж. Гопкинса в Балтиморе. Возглавлял лабораторию Раймонд Перл, который был лидером американских ученых, работавших в области биометрии. Он, в частности, переоткрыл так называемую логистическую кривую популяционного роста. Биологический смысл кривой состоит в том, что в условиях действия лимитирующих факторов (пища, температура, влажность) популяционный рост животных подчиняется 8-образной кривой. Свои популяционные исследования Раймонд Перл начал при изучении роста численности населения США, а позднее перенес их в лабораторию и проводил на самых разнообразных объектах. Но после того как Раймонд Перл побывал в лаборатории Т. Моргана в Колумбийском университете, его любимым объектом стала плодовая мушка дрозофила.

В.В.Алпатов активно включился в «дрозофильный» проект Раймонда Перла и вместе с ним выполнил ряд экспериментальных исследований по воздействию температуры на популяционный рост. Проект Раймонда Перла включал математико-экспериментальное изучение отдельных или, точнее, изолированных популяций. В 1920;е гг. были также опубликованы классические работы итальянского математика Вито Вольтерра и американского статистика Альфреда Лотки по изучению взаимодействия между популяциями (конкуренция, хищничество, паразитизм).

Однако еще никто из экспериментаторов не вступил в область изучения межпопуляционных взаимодействий, и здесь имелись буквально неограниченные возможности для важных наблюдений и открытия новых природных явлений. Дух экспериментализма, который поселился в Алпатове в США, был передан Гаузе.

Георгий Францевич немедленно взялся за работу. Вначале он как бы повторил исследование Раймонда Перла по росту человеческих популяций. Уже в начале 1930 г. он подготовил статью для журнала «Доклады АН СССР» под названием «Логистическая кривая роста населения Ленинграда и европейской части СССР». По правилам для публикации в этом журнале нужна была рекомендация академика, и такую рекомендацию дал В. И. Вернадский. В благодарственном письме Вернадскому Гаузе попытался в нескольких предложениях изложить план будущих исследований. Он писал, что в последнее время приступил к экспериментально-математическому изучению проблем конкуренции, взаимодействия в системе хищник-жертва, то есть подошел к исследованию «маленьких» биосфер. Гаузе сообщил также, что он много думает над проблемой организации и интеграции живого вещества.

Условия для экспериментальных исследований складывались наилучшим образом. В 1931 году Алпатов пригласил Гаузе на работу в организованную им лабораторию экологии при Московском университете. В стенах этой лаборатории Гаузе и выполнил все свои работы по экологии популяций и сообществ, естественному отбору, диcсимметрии протоплазмы (стереоизомерия клетки) и т. д.

Всемирную известность приобрели эксперименты Гаузе по конкуренции среди различных видов простейших. Вначале был изучен рост каждого вида в чистой культуре, вычислены коэффициенты размножения, внутривидовой конкуренции, максимальная численность популяции в определенном объеме среды обитания. Затем были созданы смешанные культуры из двух видов, в которых определялся уровень межвидовой конкуренции и выяснялись причины протекающих процессов. В этих исследованиях небольшая часть популяции ежедневно изымалась при помощи платиновой петли, и, следовательно, искусственная смертность приближала ситуацию к естественным условиям, в которых часть организмов всегда погибает.

Конкуренция между двумя видами инфузорий, которые питались одним из видов дрожжей и обитали в одном пространстве, всегда заканчивалась вытеснением одного из видов. При этом исход конкуренции зависел не только от факторов среды, но также и от наличия продуктов обмена веществ конкурирующих видов. Это было новым и важным выводом, поскольку теоретические расчеты обычно основывались на учете исходных биологических свойств взаимодействующих видов.

Культивирование инфузорий при наличии смешанного корма давало иную картину конкурентных отношений. Хотя и в этих опытах инфузории конкурировали за пищу и пространство, ни один из видов не исчезал, оба могли сосуществовать неопределенно долгое время. Поскольку пищей для инфузорий в этой серии опытов служил смешанный корм, состоящий из дрожжей и бактерий, причину сосуществования видов можно было усмотреть в их пищевой специализации, которая должна была ослабить интенсивность конкуренции. Один вид обитал в основном на дне пробирки и питался оседающими дрожжевыми клетками, а другой находился в верхней части пробирки и питался преимущественно бактериями. Однако и на корме, состоящем из одних только дрожжевых клеток, достигалось равновесие между видами, но при одном условии: если пробирка интенсивно освещалась. Объяснялось это тем, что вид, обитающий на дне пробирки, неминуемо погиб бы не от недостатка пищи, а от недостатка кислорода. Но этого не происходило, так как вид существовал в симбиозе с водорослью зоохлореллой, которая при ярком освещении снабжала его кислородом. Вид, более чувствительный к недостатку кислорода, обитал в верхней части пробирки, где его было вполне достаточно. Следовательно, каждый вид существовал в своей собственной зоне, но выживание одного из них обеспечивалось симбиозом с водорослью.

На основании этих экспериментов Гаузе предложил свою концепцию экологической ниши, в которой объединил положение вида в пространстве и его функциональную роль в сообществе. Эти опыты по конкурентному вытеснению видов составили экспериментальную основу положения, вошедшего в мировую литературу под названием закона Гаузе, или принципа конкурентного исключения: два вида, принадлежащие к одной нише, не могут длительное время сосуществовать. Работы Гаузе по межвидовой конкуренции, его выводы о необходимости соединить теоретическую, экспериментальную и полевую экологию заложили основы современной популяционной экологии, изучающей взаимоотношения различных групп организмов между собой и воздействия на эти взаимоотношения факторов внешней среды. После проведения экспериментальных работ встал вопрос о приложимости закона Гаузе к природным ситуациям. Георгий Францевич обратился за консультацией к Алпатову, но Владимир Владимирович ответил, что необходимым материалом как энтомолог он не обладает. Подумав некоторое время, Алпатов подошел к Гаузе и сказал, что на третьем этаже работает русский Сетон Томпсон, и он может помочь. Речь шла об Александре Николаевиче Формозове. Георгий Францевич провел длительную беседу с Формозовым, но не получил удовлетворительного ответа. И уже в конце беседы Формозов вдруг вспомнил случай, который он наблюдал на берегу Черного моря. Четыре вида крачек живут вместе и образуют большую колонию. На первый взгляд это как будто бы полностью противоречит экспериментальным результатам Гаузе. Однако, хотя виды живут вместе и питаются сходной пищей, они добывают эту пищу на разном расстоянии от берега, и именно таким образом достигается сосуществование видов. Именно таким путем закон Гаузе проник в натуралистический материал.

Георгий Францевич хорошо чувствовал, что после того как эксперименты и полевые исследования указали на важность концепции экологической ниши, необходимо совершенствовать всю дарвинову теорию борьбы за существование. Для такой работы необходим был партнер, безукоризненно владеющий математическим аппаратом. Им стал один из лучших учеников академика Леонида Исааковича Мандельштама Александр Адольфович Витт, погибший через несколько лет (в 1938 г.) в сталинских застенках. Он успел опубликовать лишь несколько работ совместно с Георгием Францевичем, которые стали классическими в области математической биологии. Гаузе и Витт исследовали все возможные ситуации, когда виды принадлежат к одной или нескольким экологическим нишам. Эти исследования предопределили дальнейший путь экспериментов Георгия Францевича, где понятие экологической ниши заняло центральное место.

Результаты исследований Гаузе были опубликованы во многих отечественных и зарубежных изданиях. Но наиболее известной стала его книга «Борьба за существование», вышедшая в свет в 1934 г. в Балтиморе и выдержавшая много изданий в США. История биологии не знает случая, чтобы исследователь в возрасте 24 лет издал книгу, ставшую настольной для многих поколений экологов и натуралистов. А два года спустя Гаузе была присуждена степень доктора наук по совокупности опубликованных работ.

Логическим продолжением изучения Гаузе борьбы за существование у простейших стали его эксперименты по естественному отбору, выполненные в 1938;1941 гг. Новизна работы заключалась в следующем. Все опыты по естественному отбору проводились по хорошо выверенной схеме: мутации или рекомбинации — естественный отбор. Эта схема не давала полного объяснения многообразию механизмов и форм действия естественного отбора в природе. Уже к середине 30-х гг. стало ясно, что подобные подходы оставляют в стороне большой круг явлений, привлекавшихся для ламаркистской интерпретации эволюционного процесса, когда утверждалось, что целесообразные реакции (адаптивные модификации) прямо передаются по наследству. В целом генетика опровергала этот широко распространенный взгляд. Однако популяционная генетика не давала ответа на вопрос о взаимосвязи мутаций и ненаследственных изменений (модификаций) в процессе естественного отбора. Генетики просто игнорировали эволюционную роль модификаций, сосредоточив внимание на изучении мутаций. Выяснению вопроса о взаимосвязи мутаций и модификаций, то есть наследственных и ненаследственных факторов в процессе естественного отбора и были посвящены эксперименты Гаузе. Эти опыты учитывали закономерности обратной зависимости между приобретенными и врожденными свойствами организмов: чем сильнее какой-либо признак закреплен генетически, тем меньшей оказывается возможная модификация этого признака при изменении условий среды и наоборот, чем меньше роль генотипа в предопределении признака, тем значительней величина модификации. Это положение было подтверждено многочисленными примерами по генетике, экологии и физиологии. Существенно то, что любой признак рассматривался как сложное явление, включающее генотипические и фенотипические компоненты. Поэтому для понимания механизмов действия естественного отбора и формирования адаптации одинаково важны как мутации, так и модификации. Это положение было обосновано в многочисленных опытах Гаузе с пресноводными и солоноватоводными простейшими. В качестве переменных факторов среды были выбраны соленость и растворы хинина. Причем, если соленость была естественным фактором, с действием которого простейшие встречались в природе и соответственно выработали способность к созданию адаптивных модификаций, то хинин был уникальным фактором, с которым простейшие никогда не сталкивались в естественных условиях. Эти особенности изменчивой среды и предопределили принципиально различные направления адаптации организмов и механизмов действия естественного отбора. Оказалось, что при адаптации к солености естественный отбор сохранял клоны с повышенной способностью к выработке модификаций, а не с врожденной генотипической резистентностью. Иначе складывался процесс адаптации инфузорий к хинину. Здесь роль модификаций при выработке адаптации резко уменьшилась, и селективным преимуществом обладали клоны с более резкой, сильной наследственной резистентностью.

Положение Гаузе о разных путях адаптации организмов приобретает сейчас важное значение, так как в естественную среду обитания в изрядных дозах попадают вещества антропогенного происхождения, с которыми организмы никогда не сталкивались в своей истории.

Трудно представить себе, что за 3−4 года Гаузе удалось получить такой обширный материал о роли ненаследственной изменчивости в эволюции, который в то же время был обрамлен ясными теоретическими представлениями. Быть может, в этом и проявляется истинное мастерство ученого.

Результаты опытов Гаузе по экспериментальному изучению естественного отбора методами генетики и экологии были обобщены в виде монографии «Экология и некоторые проблемы происхождения видов». Эта книга была подписана к печати в июне-июле 1941 г., но не была опубликована. В сокращенном виде она вышла в свет в США в 1947 г. в трудах Калифорнийской Академии наук. Ее издание было активно поддержано лидером американских экологов Эвелин Хэтчинсон (Йельский университет). В полном объеме она была напечатана лишь в 1984 г. в Ленинграде под редакцией автора данной статьи.

Летом 1933 г. В. И. Вернадский отдыхал в санатории «Узкое» Академии наук под Москвой. Он пригласил к себе в гости Георгия Францевича, который и рассказал ему о своих исследованиях по асимметрии протоплазмы. Эти исследования настолько глубоко заинтересовали Вернадского, что он пригласил Гаузе перейти на работу в его биогеохимическую лабораторию АН СССР. Но Гаузе не принял предложение именитого академика. Научные исследования Гаузе были настолько обширными, что их легче было реализовать в университете, чем в специализированном академическом институте. Но уже через год Гаузе передал первую часть своих исследований по асимметрии протоплазмы, которые и были опубликованы в трудах лаборатории Вернадского.

В чем же суть совершенно новой исследовательской программы Гаузе, которая уже относится к области не классической, а молекулярной биологии? Известно, что все аминокислоты вращают плоскость поляризованного света в левую сторону и называются L-изомерами, а сахара — в правую сторону и называются D-изомерами. Изучение стереоизомерии клетки имеет длительную историю, начиная с фундаментальных исследований Л.Пастера. Под диссимметрией протоплазмы Пастер понимал диссимметрию свойств отдельных молекул в клетке, то есть несовместимых зеркальных отображений молекул с оригиналом. Молекулы могут существовать либо в правой, либо в левой модификациях. Но в протоплазме имеется неодинаковое число левых и правых форм. Если концентрация правых и левых форм молекул одинакова, то вещество в таком состоянии называется рацематом. Рацематы существуют только в неживой природе, а в живой природе еще никому не удалось их обнаружить. Теоретические рассуждения Пастера о происхождении диссимметрии протоплазмы носили расплывчатый характер и явно отставали от его экспериментальных исследований.

Хотя проблема диссимметрии протоплазмы имела длительную историю, и изучалась она в основном химиками-органиками и физиками, Гаузе внес в нее свой оргинальный вклад. До Гаузе никто не ставил данную проблему в аспекте биологической эволюции. Возникновение оптически активной протоплазмы по Гаузе представляло собой биологически прогрессивное явление, так как повышало интенсификацию функций клеточных структур. Организмы, которые приобрели диссимметрическую протоплазму, получали преимущество в борьбе за существование. Возникновение оптически «чистой» протоплазмы осуществлялось мутациями и естественным отбором, а не таинственными силами, как предполагал Пастер и его последователи. Итоги многочисленных экспериментальных и теоретических исследований по диссимметрии протоплазмы были опубликованы Гаузе в 1940 г. в Москве. Книга имела такой внезапный и бешеный успех, что уже в следующем году вышла в США, причем в переработанном виде, с новым экспериментальным материалом.

Открытие первого отечественного антибиотика

В сентябре 1939 г. началась вторая мировая война, и Гаузе стал активно работать по оборонной тематике. По его инициативе Дезинфекционный институт Минздрава СССР заключил договор с лабораторией экологии МГУ о проведении исследований по действию дезинфицирующих веществ. Все методы, которые применялись Гаузе для изучения борьбы за существование и естественного отбора в культурах простейших, стали использоваться для изучения действия дезинфицирующих веществ. Эти исследования имели важное значение, так как были связаны с проблемой защиты от бактериологического оружия. Главная новизна работ Гаузе состояла в том, что вместо культур бактерий для тестирования дезинфицирующих веществ использовались культуры простейших, что позволяло быстро получать надежные результаты и резко ускорять темп научно-исследовательских работ.

Вскоре после начала Великой Отечественной войны Гаузе пришлось покинуть стены университета. Он стал работать заведующим отделом госсанитарной инспекции Сталинского района Москвы. Одновременно Георгий Францевич работал по совместительству в Институте медицинской паразитологии и тропической медицины Наркомздрава. В это время в лондонской «Nature» была опубликована заметка, что в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке доктор Рене Дюбо получил первый лечебный антибиотик тиротрицин, который прошел успешное испытание в военных госпиталях. В то время лишь немногие понимали, что началась новая эра в развитии медицины, и Гаузе был в их числе. Гаузе был сильно возбужден этой заметкой. Он буквально ворвался в лабораторный кабинет своей жены Марии Георгиевны Бражниковой, чтобы предложить ей заняться аналогичным делом. Мария Георгиевна, только что закончившая аспирантуру в Институте экспериментальной медицины по специальности «биохимия», спокойно выслушала мужа. Они вышли на территорию Института медицинской паразитологии, где рядом с институтом протекал ручей. Гаузе и Бражникова ходили вдоль ручья и на кончик скальпеля собирали пробы почв. Пробы высевали в чашки Петри, после чего отбирали отдельные колонии и проверяли их на антагонизм микробов. Некоторые колонии образовывали антибактериальное вещество, которое подавляло рост стафилококков.

Сергиев создал Гаузе и Бражниковой все необходимые условия для работы в данном направлении. Встал вопрос о выращивании этой бактерии уже на специальных жидких средах, которые позволили бы получить в виде кристаллов бактериальное вещество, содержавшееся в телах бактерий. Гаузе и Бражникова использовали методику, включающую этилирование, спиртование и перекристаллизацию, благодаря которой впервые были получены очищенные от липидов кристаллы пока неизвестного антибактериального вещества. Результаты последовали очень быстро. Этим веществом оказался знаменитый грамицидин С, который быстро был внедрен в 1942 г. в практику советского здравоохранения и широко использовался на фронте для лечения раневых инфекций. Главный хирург Красной Армии Н. Н. Бурденко сам возглавил бригаду ученых-медиков по испытанию антибиотика во фронтовой обстановке. Офицер Гаузе был включен в состав бригады, а испытания проходили на Втором Прибалтийском фронте. Насколько впечатляющими были результаты этих испытаний, можно судить по тому факту, что по инициативе Бурденко в 1946 г. Гаузе и Бражникова были удостоены Сталинской премии за открытие грамицидина С.

Столь быстрый их успех в совершенно новой области исследования объясняется удачным сочетанием таланта Бражниковой как химика, занимавшейся выделением новых природных соединений, и Гаузе как микробиолога. Антибиотики являются продуктами борьбы за существование у микробов, и все прежние его исследования в области экологии, борьбы за существование и естественного отбора составили прекрасный фундамент для изыскания микробов, продуцирующих антибиотики. После открытия антибиотиков исследования Гаузе по диссимметрии протоплазмы приобрели новое значение. Изучение химической структуры пенициллина и грамицидина С показало, что в их состав входят необычные для протоплазмы правые формы аминокислот. Наличие извращенных молекул имеет решающее значение для действия антибиотиков, поскольку замена извращенных участков нормальными (левыми изомерами) приводит к исчезновению антибиотического эффекта. Именно оптически извращенные молекулы обладают специфической способностью подавлять рост бактерий, то есть в «левой протоплазме» «правые» молекулы обладают свойствами ингибиторов. Столь далекие области биологии, в которых работал Гаузе, в учении об антибиотиках были состыкованы и синтезированы. Первый оригинальный советский антибиотик грамицидин С до сих пор широко используется в медицинской практике, а также в самых разнообразных структурных и функциональных исследованиях.

В 1953 г. в Москве при АМН СССР был организован самостоятельный институт по изысканию новых антибиотиков, который с 1960 г. и до последних дней жизни возглавлял действительный член Академии медицинских наук Г. Ф. Гаузе (умер Георгий Францевич 2 мая 1986 года).

В институте Гаузе выделено много самых разнообразных антибиотиков, которые вошли в медицинскую практику многих стран мира.

Будучи одним из основоположников теоретической и экспериментальной экологии, Гаузе стал крупнейшим специалистом в области исследований антибиотиков. Его работы служат хорошим примером того, как многого можно добиться простыми техническими средствами при разумном планировании эксперимента, ясном мышлении и правильном выборе экспериментальной системы.

Заключение

гаузе экологическая ниша антибиотик

На этом можно было бы и закончить, если бы не печальные страницы советской биологии. В период господства Лысенко Гаузе подвергался резким критическим нападкам со стороны псевдоученых: на него писали доносы в ЦК ВКП (б) с требованием лишить возможностей для научной работы, как морганиста. Но он продолжал работать. Его «прорабатывали» на различных собраниях с целью отказа от своих взглядов. Он никогда не посещал подобные сборища. В период холодной войны антибиотики имели такое важное значение для защиты от бактериологического оружия и вообще в медицинской практике, даже независимо от политических обстоятельств, — что препараты Гаузе защитили его и от социальной инфекции.