МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

по подготовке к кандидатскому экзамену по
ИСТОРИИ И ФИЛОСОФИИ НАУКИ

 

 

 

 

ИСТОРИЯ БИОЛОГИИ

Выпуск 2

 

История биологии с древнейших времен до наших дней излагается в широком социально-культурном контексте. Показаны основные пути становления и развития биологии как целостной системы знаний, истоки современных представлений о живом, формирование фундаментальных идей, концепций и теорий, а также методов исследований и приборов. Для аспирантов и соискателей биологических специальностей, готовящихся к сдаче кандидатских экзаменов.

 

 

 

Часть 3. Становление и развитие основных

 направлений современной биологии

 

3.1. Особенности современного биологического знания

 

Хотя термин «биология» употреблял еще К. Линней, а о «ботанической биологии» часто говорили в конце XVIII в., в современном смысле понятие «биология» впервые использовал в 1797 г. немецкий врач Т. Роос (1771-1803) в предисловие к своей книге «Основные черты жизни и жизненной силы». Три года спустя о биологии писал К. Ф. Бурдах (1776-1847), но в широкое употребление это понятие вошло благодаря Ж.-Б. Ламарку и Л. X. Тревиранусу, которые одновременно предложили определение этого термина. В книге «Биология, или философия живой природы» (1802) Тревиранус писал, что биология является наукой, изучающей жизнь. Так же в своей «Гидрогеологии» (1802) биологию понимал Ламарк. Подобное временное совпадение не случайно, оно является показателем осознания учеными разных стран и разных специальностей наличия у естественной истории и медицины единого объекта изучения.

До этого различия между растениями и животными казалась столь же существенными, как и различия между растениями и минералами. Клеточная теория стала первым обобщением, свидетельствовавшим о единстве живого. Для осознания этого единства особое значение имели внедрение сравнительно-анатомического метода, построение естественных систем, установление временной последовательности смены флор и фаун, разработка для понимания целостности организма принципа корреляции. В сфере научных интересов ученых оказались такие проблемы как пределы внутривидовой изменчивости, влияние внешних факторов на наследственную и ненаследственную изменчивость, дискретность и непрерывность в истории жизни.

В первой половине XIX в. основные постулаты естественной истории уже воспринимались как сомнительные и к этому периоду относится формирование новой эпистемы науки о живом. Происходило освобождение соподчиненных признаков от их таксономической зависимости, которые отныне выводились за рамки классификационных схем и размещались на разных уровнях организации живого. Внутренняя связь признаков определялась их корреляционной зависимостью, создавая запреты в их перестройках и комбинациях. Главное внимание уделялось не столько органам, сколько осуществляемым ими функциям, число которых относительно невелико и которые сходны у всех организмов. Разнообразие структур отныне воспринималось не как набор независимых переменных, а как иерархическая система признаков, объединенных с целью реализации крупных функциональных единиц (дыхание, пищеварение, кровообращение и т. д.), управляющих друг другом и обеспечивающих «телесную целостность» организма.

Организм в своих видимых диспозициях подчинялся определенному плану, обеспечивающему доминирование наиболее важных функций. Отныне виды не располагались в виде непрерывной лестницы существ, жизнь воспринималась как бесступенчатая и состоящая из целостных единств анатомических связей и физиологических соответствий. Разрушение лестницы существ и введение в биологию принципа дискретности привело к появлению таких понятий как структурная и функциональная несовместимость, коадаптация органов и функций, их иерархическая соподчиненность, адаптация организма к внешней среде. Создавались элементы эволюционного мышления. Прерывность форм в истории Земли вводила в изучение жизни палеонтологами временной аспект, создавая реальную историю органического мира, в котором все таксоны занимали строго в геохронологии определенное место.

Таким образом, интерналистские когнитивные факторы играли решающую роль в становлении биологии как науки о живом, характеризующейся собственными закономерностями. На место классификации по внешним признакам приходит загадочное явление «жизнь», а оппозиция органического и неорганического, живого и неживого заменяет традиционное деление природных объектов на минералы, растения и животные.

Огромное значение для развития биологии имели социокультурные факторы, связанные с Французской революцией и бурными социально-экономическими событиями XIX и XX вв. Освобождение от главенствующей роли религии во всех сферах духовной жизни, в том числе и в понимании живой природы, приняло характер подлинной революции. Шла секуляризация всех сфер жизни. Все менее популярной становилась фундаменталистская традиция, связанная с верой в библейские откровения. Но и механистическая картина мира, сужая сферу действия сверхъестественных сил, не соответствовала запросам обретавшего зрелость естествознания. В ее рамках не находили объяснения такие явления как целесообразность строения и функций организмов, их приспособленность к внешней среде, целостность индивида, запрограммированность и канализированность онтогенеза.

Вера в Творца, постоянно вмешивающегося в дела природы и творящего чудеса, вызывала скепсис у большинства естествоиспытателей континентальной Европы с конца XIX в. Но и недавно еще популярный деизм, согласно которому Бог создал только законы природы, действующие далее без его вмешательства, наталкивался на значительные трудности. Могло ли провидение детально предусмотреть взаимную пригнанность структур и функций организмов и их точное соответствие условиям существования? Каким образом в акте Творения была предусмотрена согласованность всех дальнейших изменений, происходивших в неорганическом и органическом мире? Как можно объяснить установленным Творцом законом гармонии природы вымирание животных или наличие у них рудиментарных органов?

Отвечая на подобные вопросы, одни естествоиспытатели стремились совместить креационистские и деистические интерпретации органического мира, а другие полностью переходили на позиции атеизма, отвергая не только первоначальное Творение, но и существование Бога. Но никому из них не удавалось объяснить феномен целесообразности и телеономичности живой природы. Лавинообразное накопление знаний об органическом мире шло в условиях интеллектуального кризиса, обусловленного конфликтом между теистической, деистической и атеистической идеологиями, каждая из которых не могла дать удовлетворительного объяснения феномена жизни. В естествознании зреет и неудовлетворенность натурфилософскими схемами. Неприязнь вызывают философские системы Ф. В. Шеллинга (1775-1854) и Г. Ф. В. Гегеля (1770-1731). Как писал немецкий математик К. Ф. Гаусс (1777-1855), при попытках разобраться в путанице понятий в их трудах волосы встают дыбом. По мнению физиолога Г. Гельмгольца (1821-1894), подобная философия абсолютно вредна. Он сравнивал сочинения Шеллинга с огоньком в Вальпургиеву ночь, влекущего путника на шабаш нечистой силы, но, когда сон развеивается, остается горькое похмелье.

Популярным среди естествоиспытателей становится позитивизм О. Конта (1798-1857) с его призывом освободиться от философии, отказаться обсуждать трансцендентальные проблемы и оперировать в теоретических обобщениях только позитивным знанием, подтверждаемым наблюдениями, описаниями и экспериментом. На биологов большое влияние оказал позитивист Г. Спенсер (1820-1903), особенно его двухтомный труд «Основание биологии» (1870). Агностицизм становится среди естествоиспытателей хорошим тоном.

Выйти за рамки мировоззренческих конфликтов и встать выше идеологических проблем были призваны новые научно-исследовательские программы, ориентированные на стандарты точных наук с их гипотетико-дедуктивным способом построения теорий, математическими моделями и экспериментами. Фундаментальные открытия в физике и химии расширяли возможности исследования жизни. Опора только на проверяемые факты становилась главной теоретической установкой всех биологов. Из науки преимущественно описательной биология превратилась в науку экспериментальную.

Для понимания внешних факторов возникновения современной биологии необходимо учесть также переворот в социально-политических и экономических науках того времени. Размывание веры в статичную и гармоничную природу происходило одновременно с осознанием гуманитарными науками прогрессивного характера развития общества. Связь проблем развития в природе и обществе была очевидна. В то же время наивный трансформизм с его верой в самозарождение организмов и возможностью внезапного превращения видов вступил в полное противоречие с данными, которыми обладала биология того времени. В условиях крушения наивного трансформизма требовалась концепция, способная как-то объяснить, с одной стороны, устойчивость органических форм, а с другой, смену флор и фаун в истории Земли. Эволюционная теория Ч. Дарвина стала итогом попыток решить эту проблему в концепциях внезапного преобразования крупных таксонов, непрерывного творения новых видов, периодического уничтожения и воссоздания всей фауны в результате деятельности Высшего Разума. В свою очередь она послужила мощным стимулом для формирования новых отраслей биологии (биогеографии, экологии, генетики).

Стремительно шла дифференциация биологических наук, сопровождаемая углубляющейся специализацией. Возникали все новые отрасли знания (молекулярная биология, радиобиология, цитология, вирусология, этология, биология развития и др.). В рамках новых и старых наук формировались отдельные области и направления исследований, претендующие на автономное существование (например, нейрофизиология, клиническая физиология, эндокринология, иммунология). Современная биология включает сотни дисциплин, отраслей и направлений, образующих очень сложную и многоплановую систему, и является наиболее разветвленной частью естествознания. В связи с дифференциацией биологических наук, усложнением методик и техник биологического наблюдения и эксперимента в XX в. функции ученых-энциклопедистов, способных охватить в научном поиске одновременно несколько проблем из различных областей биологии, перешла к научным коллективам.

Начиная с XIX в. интенсивно шла институционализация биологии, которая становилась самостоятельной учебной дисциплиной. В университетах создаются специальные биологические факультеты или отделения. Организуются кафедры, в задачи которых входит не только обучение студентов, но привлечение их к научным исследованиям. С середины XIX в. в ведущих научных странах создаются биологические и селекционные станции, основываются научно-исследовательские институты, издаются специализированные журналы. В практику входят регулярные международные и национальные конгрессы, съезды, симпозиумы, организуемые с целью оперативного обмена научной информацией и установления личных контактов.

Развитие биологии, как и любой другой отрасли естествознания, шло сложно и противоречиво. Не раз предпринимались попытки идеологизировать и политизировать научные открытия и гипотезы. Мичуринская биология в СССР и арийская в Германии - это наиболее известные печальные примеры слишком пристального внимания властей к развитию науки. Век меценатства и ученых из привилегированных классов, занимавшихся наукой из любопытства, уходил в прошлое. Новая биология требовала серьезных материальных и человеческих ресурсов, что могло быть обеспечено только на государственном уровне. В этих условиях биологи вынуждены были искать пути взаимодействия с властями, участвуя в политико-идеологических дискуссиях, в разработке химического и биологического оружия, а иногда и в экспериментах над людьми. Нередко решение биологических проблем шло в рамках исследований, финансируемых военно-оборонными ведомствами. В то же время начиная с XX в. в практику входит грантовая система поддержки научных проектов на конкурсной основе (в том числе и из частных фондов), что расширяло права научного сообщества в отборе и поощрении наиболее важных проектов.

В течение последних двух столетий масштабы практического использования биологических знаний неуклонно увеличивались. Они нашли применение в сельском хозяйстве, промышленности, медицине, охране окружающей среды. Как и другие науки, биология становилась производительной силой, от уровня развития которой зависит статус государства и его вес на международной арене. Учение об иммунитете И. И. Мечникова и П. Эрлиха, концепция происхождения культурных растений Н. И. Вавилова, учение о трансмиссивных заболеваниях Е. Н. Павловского, исследования Б. Л. Астаурова  по управлению пола у шелкопряда и т. д. стали яркими примерами практической значимости фундаментальных исследований. Совершенствовались методы селекции растений и микроорганизмов. Благодаря использованию последних был создан ряд отраслей микробиологической промышленности (производство белков, аминокислот, витаминов, гиббереллинов, антибиотиков, ферментов). Микроорганизмы стали использоваться при разработке рудных месторождений, промышленной фиксации атмосферного азота. Данные молекулярной генетики пригодились для создания медикаментов, применяемых для профилактики и лечения новообразований, лейкозов, вирусных инфекций, лучевых поражений и т. д. Век инженерной генетики открыл новые возможности для создания организмов с ценными хозяйственными свойствами путем прямого вмешательства в геном. Все большее применение получает метод биологической борьбы с вредными видами. Ежегодно рождаются десятки тысяч детей, зачатых «в пробирке». Предпринимаются попытки клонировать человека. Рутинными стали сложнейшие операции по трансплантации сердца, почек, легких и других органов.

Становление современной биологии связано с изучением молекулярного и субклеточного уровней жизнедеятельности организмов. До середины 1940-х гг. это было практически невозможно из-за отсутствия соответствующих технических средств. Вторая половина 1940-х - важный рубеж в истории биологии: возникла физико-химическая биология. За несколько десятилетий в связи с изучением фундаментальных основ жизни облик биологии изменился: выяснены структура и функции молекул ДНК и РНК; расшифрован генетический код, геном человека и многих других организмов; изучен механизм регуляции генной активности; расшифрована последовательность аминокислот в тысячах белках; выяснены их структура и способы укладки полипептидных нитей в молекуле; открыты ключевые регуляторы клеточного цикла; доказана возможность клонирования млекопитающих; разработана селекционная теория иммунитета, доказаны патогенные свойства прионов; выяснены генетические механизмы многих болезней и получены средства борьбы с ними; установлено физико-химическое единство основных процессов жизнедеятельности у всех организмов. Составляя фундамент жизни, потоки вещества, энергии и информации служат основой единства и биологических наук.

Прогресс физико-химической биологии стал возможен благодаря применению электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, электрофореза, хроматографии, ультрамикротомии, голографии, спектрофотометрии, масс-спектрографий, томографии, лазеров и многих других методов. Созданы методы прижизненных исследований: культивирование на питательных средах клеток, тканей и органов, маркировка эмбрионов и т.д. В качестве моделей для исследования молекулярных основ жизни, как правило, используются дрожжи, бактерии, архебактерии, вирусы и другие микроорганизмы.

Открытие с помощью электронного микроскопа мембранной организации многих важнейших компонентов клетки, обнаружение в цитоплазме разветвленной сети субмикроскопических канальцев, данные о структурной взаимосвязи субклеточных частиц—все это вело к пониманию морфологической основы деятельности клетки. Успехи в разработке методов фракционирования различных субклеточных частиц позволили связать с ними те или иные стороны обменных процессов. Благодаря сопоставлению данных, полученных с помощью электронного микроскопа, с данными об обменных процессах совершился переход на качественно новый уровень исследований, когда биохимик уже не может не учитывать субмикроскопическую организацию, а морфолог оказывается в состоянии оперировать данными биохимии, выявляя не только общее функциональное, но и конкретное биохимическое значение тех или иных ультраструктур.

Успехи физико-химической биологии позволили лучше понять механизмы поддержания целостности многоклеточных организмов. Были разработаны представления о соотношении коры и подкорковых центров, о единстве процессов возбуждения и торможения, о функциях вегетативной нервной системы, открыты медиаторы и т.д. Благодаря выделению и синтезу ферментов, гормонов, витаминов и других биологически активных веществ был заложен фундамент современной клеточной физиологии и биохимии. Огромное значение имели достижения в изучении фотосинтеза, участвующих в нем пигментов (прежде всего, хлорофилла), физиологии роста и развития растений, создания теории растительного иммунитета.

Вместе с тем, объектом биологических исследований перестал быть только организм как сложная многоуровневая и интегрированная система. Все большее внимание привлекают надорганизменные уровни организации живого (популяции, виды, экосистемы, биосфера). Физико-химическая биология не привела к изживанию сравнительных и исторических методов. До сих пор не закончена «инвентаризация» флоры и фауны. Выяснилось, что в некоторых разделах биологии применение экспериментального метода вообще невозможно. Это относится, например, к палеонтологии и проблеме поиска внеземных форм жизни в экзобиологии.

К числу важнейших достижений надорганизменной биологии относится учение о популяции. Было доказано, что именно популяция является формой существования вида и элементарной единицей эволюции и экосистем, изучены различные типы генетических и экологических структур популяций, формы изоляции между ними, способы и формы видообразования. Представления о популяции в современной биологии представлены в виде системы знаний, интегрирующей сведения о морфологических, генетических, физиологических, экологических и этологических свойствах ее особей, связанных между собой пространственно-временными и репродуктивными отношениями, характеризующимися определенным биотическим и репродуктивным потенциалом и динамикой численности.

Значительные успехи были достигнуты в изучении биологических сообществ. Здесь были созданы учение о природной очаговости трансмиссивных болезней и паразитоценозах, концепции экосистемы и сукцессии, установлены трофические связи, биогеохимических циклы, изучена продуктивность в различных экосистемах и ландшафтах. Обращение к изучению биосферы

связано, прежде всего, с тревогой о будущем человечества. Снижение плодородия почв, сокращение запасов пресной воды, разрушение растительного покрова, истребление многих видов, загрязнение промышленными отходами пестицидами, поверхностно-активными веществами существенно снизили продуктивность естественных экосистем. Экспоненциальный рост населения земного шара поддерживается созданием высокопродуктивных агробиоценозов. Однако неизвестно, смогут ли они обеспечить устойчивость биотического круговорота. Вера биологов предшествующих поколений в создание ноосферы (сферы разума), якобы идущей на смену биосфере и обеспечивающей поступательное развитие человечества, не находит подтверждения. Остается неясным, способна ли наука обеспечить регуляцию обмена веществ между человечеством и биосферой, органически включив свою деятельность в биотический круговорот путем создания экологически безопасных технологий.

Наряду с дифференциацией в биологии усиливается интеграция существующих отраслей и направлений, приводящая к возникновению комплексных, «синтетических» дисциплин и областей исследований. Процесс объединения биологических знаний ведет к созданию новых дисциплин, занимающихся изучением живого с наиболее общих позиций (теория систем, биокибернетика и т.д.). Если дифференциация зачастую идет стихийно, то процесс интеграции носит, в значительной мере, осознанный характер, активно воздействуя на выбор стратегии теоретического поиска. Интеграция связана с растущим пониманием целостности изучаемых объектов и процессов, со стремлением познать тот или иной феномен в его динамике и развитии.

Одним из проявлений интеграции является возникновение новых отраслей знания, стоящих на стыках разных естественных наук (геохимия, радиобиология, космическая биология). На стыке биологии с медициной возникли паразитология, гельминтология, патоанатомия, фитопатология, медицинская энтомология. Классическим примером союза столь далеких друг от друга отраслей как биология и техника стала бионика-наука, использующая принципы организации и функционирования живых организмов для усовершенствования технических устройств, создания новых типов приборов, автоматов, систем управления, компьютеров.

Существуют определенные тенденции в дифференциации и интеграции наук. Процесс формирования новой теории, выработки ее особого языка и кристаллизации соответствующих понятий неизбежно ведет вначале к самоизоляции, дающей возможность консолидировать положения, превратив их в замкнутую логическую систему. Затем предпринимается попытка абсолютизировать новую парадигму, перенести ее в смежные области исследования, что приводит к контактам с новым кругом специалистов и после конфликта начинается взаимное заимствование понятий и методов, способных органически войти в ту или иную систему знаний, а иногда и объединить разные парадигмы в научно-исследовательские программы, призванные решить общие проблемы в пограничных зонах и заполнить их эмпирическим материалом. Гак обычно происходит взаимная ассимиляция идей и методов. Такова история клеточной биологии, генетики, экологии, этологии, биологии развития,

 

экологии и эволюционной теории и антропологии, которые дают наиболее яркий пример комплексности современного биологического знания.

Интеграции биологических знаний способствовало широкое проникновение в биологию математики, кибернетики и теории информации, охвативших, прежде всего, надорганизменные уровни жизни, связанные с пониманием единства ее пространственно-временной организации, адаптации и эволюции. Быстрое развитие экологии, биоценологии, учения о биосфере диктуется запросами практики—сельскохозяйственного производства, различных промыслов, лесоводства, а также ухудшением состояния окружающей среды.

XX в. обозначил пределы в нашем познании жизни. Остается нерешенной проблема происхождения жизни, и неизвестно, будет ли она вообще когда-нибудь решена. Несмотря на популярность в недавнее время различных гипотез не удалось экспериментально доказать возможность абиогенеза. Пока синтезированы аминокислоты, нуклеотиды, пептиды, а самовоспроизводящейся системы получить не удалось. Основная трудность состоит в том, что для самовоспроизведения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для синтеза белков—нуклеиновые кислоты. Важнейший вопрос сводится к выяснению того, как произошло объединение этих классов биополимеров в систему, способную к репродукции.

Не раз предпринимались и попытки создать теоретическую биологию, объясняющую фундаментальные законы и свойства живой материи. Они диктовались необходимостью упорядочить лавину фактических данных, а также потребностью в прогнозировании научных исследований. Попытка заменить общую биологию теоретической породили формирование представлений о неустойчивом равновесии как основном свойстве живого, выраженных, например, в книге Э. С. Бауэра «Теоретическая биология» (1935). В дальнейшем подобные усилия предпринимали Э. Шредингер, Л. Берталанфи, К. X. Уоддингтон, М. Эйген, И. Пригожий. В качестве ядра теоретической биологии предлагали теории систем и информации, эволюционную теорию, термодинамику, кибернетику, синергетику и т. д. Несмотря на солидный теоретический «задел» в различных дисциплинах, остается неясным, возможно ли в принципе создание общей теоретической биологии ввиду комплексности и многоплановости решаемых ею проблем. В то же время благодаря теоретическим исследованиям был преодолен организмоцентризм, доминировавший в биологии до начала XX в., и выработан полицентрический взгляд на живую природу, при котором все системы—различные внутриорганизменные структуры, организмы, виды, сообщества, экосистемы—рассматриваются как равнозначные и необходимые формы организации живого.

Великие открытия биологии второй половины XX в. имели для человечества не меньшее значение, чем открытия физики первой половины минувшего столетия. Вопрос в том, чтобы все они были использованы во благо, а не вред человечеству. В связи с этим проблемы мировоззренческого, морально-этического порядка приобретают на современном этапе биологического познания особую актуальность.

 

3.2. Изучение физико-химических основ жизни

(от физиологической химии к физико-химической

биологии)

 

Физико-химическая биология—наука о структурно-функциональной организации жизни на молекулярном уровне. Необходимость ее выделения из классических биологических наук диктовалась особыми свойствами молекулярного уровня живого, изучение которых потребовало новой методологии. В ее основу были положены представления об эволюции молекулярных систем производных углерода и их структурно-функциональном многообразии. В ходе выработки этих представлений были предложены следующие основные концепции биохимии: 1) в составе живых организмов есть неорганические и органические молекулы; 2) органические соединения в живых организмах синтезируются из неорганических; 3) для поддержания биологической организации необходим обмен веществом, энергией и информацией между организмом и внешней средой; 4) химические процессы в живом организме находятся под контролем высших уровней организации биологических систем; 5) в основе механизма усложнения биологической организации лежат явления трансформации энергии (химической в другие виды и обратно). Молекулярными энергетическими биотрансформаторами являются белковые системы.

В истории физико-химической биологии можно выделить следующие этапы: 1) накопление и оценка фактов, свидетельствующих, что в основе жизнедеятельности лежат химические процессы; 2) создание химии живого, поиски аналогий в химических процессах в неживой природе и в живых организмах, становление физиологической химии; 3) исследования структуры биомолекул и путей их превращения в организме, поиски принципиальных различий между биохимическими процессами и химическими превращениями органических веществ; 4) появление функциональной биохимии, в задачу которой входило исследование молекулярных основ физиологических функций, новые биохимические концепции молекулярной биоэнергетики, функциональной биохимии мышц, функциональной нейрохимии и др.; 5) интеграция комплекса естественных наук—молекулярной биологии или физико-химической биологии—для решения фундаментальных проблем биологии: молекулярных основ наследственности, биологии развития, биоэнергетики, систем молекулярного контроля функций и др.; 6) развитие молекулярных биотехнологий (ферментных, генных, биоэнергетических и др.), появление новой концепции—«белок-машина», формулирование новых представлений о молекулярных трансформаторах энергии и молекулярной архитектонике, молекулярное моделирование с целью направленного воздействия на биологические процессы и создания экологически безопасных биотехнологий.

Начальные этапы формирования биохимических знаний проходили в рамках парадигмы алхимии, возможности которой представлялись бескрайними. Алхимики верили в возможность создания «философского камня», с помощью которого можно превращать одни химические элементы в другие, «панацеи», способной излечивать от всех болезней, «эликсира», возвращающего молодость и др. Инициаторами рационального приложения химических знаний в областях биотехнологии и медицины стали агрохимики, развивавшие представления о химической природе биологических функций. В поисках отличий живых организмов от неживой природы они выделяли из живых организмов молекулярные компоненты и определяли их состав, подвергая биомолекулы жесткой обработке высокореакционными химическими реагентами и высокими температурами. Первыми были открыты простые химические соединения. Достаточно быстро было установлено, что химический состав животных и растительных тканей сходен. Главная концепция биохимии, определившая развитие биохимических знаний на многие годы, состояла в представлении об обмене веществ и энергией между организмом и внешней средой как основном свойстве живых систем. Создатель этой концепции А. Лавуазье по праву считается пионером в исследованиях физико-химических основ жизни.

 

3.2.1. От химии живого к физиологической химии

 

Становление биохимии как самостоятельной науки относится к первой половине XIX в., когда потребности общества в эффективных биологических технологиях стали особенно актуальными. Название «органическая химия» закрепляется за химией синтетических углеродных соединений. Впоследствии из органической химии выделился специальный раздел—химия биохимических соединений, в которой ведущее место заняли исследование структуры биомолекул и их химический синтез. Интенсивно стали развиваться науки, предметом которых было исследование химической природы биомолекул. Решающее значение для понимания природы живых организмов имели эксперименты Ф. Велера (1800-1882) по синтезу мочевины из неорганических веществ (1828). Мочевина явилась первой биомолекулой, полученной путем химического синтеза (абиогенным путем). Дальнейшие успехи в химическом синтезе биомолекул показали, что в живом организме нет ничего кроме химических веществ и сам биосинтез по своей сути является химическим процессом.

Вскрытие сущности биологических явлений, происходящих на молекулярном уровне, определило научную стратегию биохимии. Основные черты такой стратегии сводятся к следующему: выделение, очистка и химическая характеристика биомолекул и их комплексов, моделирование химических процессов с участием данных молекул «в пробирке», перенос обнаруженных закономерностей на биологические системы высшего порядка (клетку, ткань, орган, организм и т.д.) путем создания биологических моделей более высоких порядков, верификация обнаруженных закономерностей путем химического тестирования биологических объектов.

Эволюция и становление биохимии нашли свое отражение в названиях университетских лекционных курсов: 1811 г. - «Химический анализ тела человека», 1819 г. - «Зоохимия», 1820 г. - «Химия животных веществ в приложении к медицине; токсикология, ветеринарная медицина», 1830 г. - «Медицинская экспериментальная химия, связанная с фармацией», 1847 г. - «Физиологическая

химия животного и растительного царства, патологическая химия», 1872 г. -  «О химии пищеварения». Понятен и медицинский уклон биохимии, объясняющийся запросами общества. Отсюда и термин «физиологическая химия», применяемый в то время ко всей биохимии и подчеркивающий ее близость к медицине. По этим же причинам биохимия животных практически во весь обозреваемый исторический период опережала в своем развитии биохимию растений и биохимию микроорганизмов.

Главными достижениями биохимии XIX в. было установление химической природы белка и обмена веществ. Первый препарат белкового вещества получил в 1728 г. итальянец Я. Беккари, выделивший из пшеничной муки клейковину, однако установление химической природы белков состоялось только после выяснения их полимерной структуры и изучения мономеров, образующих эту структуру - аминокислот. Представления того времени о белках могут быть суммированы в определении белков как особого класса органических веществ животного и растительного происхождения, отличающихся особыми свойствами: свертываемостью, клейкостью, вязкостью, эластичностью, а при сухой перегонке - щелочной реакцией продукта (аммиака). Популярным было представление о том, что белки и ряд других составных частей живых организмов обладают некоторой высшей организацией, не сводимой к химической, и образующейся под действием «жизненной силы».

Впервые идею о том, что белки состоят из аминокислот, связанных пептидными связями, выдвинул и доказал немецкий химик Э. Г. Фишер (1852-1919), известный своими работами по синтезу природных соединений—Сахаров и пуринов (Нобелевская премия по химии за 1902 г.). Принцип соединения аминокислот в полимерную молекулу был подтвержден синтезами коротких пептидов, которые легко гидролизовались природными ферментами- протеазами.

Представления об обмене веществ изменились после открытия каталитической природы метаболических реакций. Стала понятна сущность таких терминов как анаболизм и катаболизм, ассимиляция и диссимиляция. Окончательно метаболические реакции и ферменты, участвующие в метаболизме биомолекул, были установлены только в XX в. Революция в исследовании метаболических реакций произошла в результате разработки Г. Хевеши (1885-1966) метода меченых молекул (Нобелевская премия по химии за 1943 г.).

Заслуга открытия ферментативного катализа принадлежит профессору Санкт-Петербургского университета К. Кирхгофу (1764-1833), который в 1811 г. продемонстрировал каталитический распад крахмала под действием кислот и полученной из солода клейковины (белка). Отсутствие в то время знании о химической структуре белков не позволило объяснить механизм каталитических функций белков. Существенным вкладом в расшифровку метаболических процессов внес Э. Бухнер (1860-1917), продемонстрировавший, что бесклеточные экстракты и гомогенаты (клеточный сок) способны брожение (Нобелевская премия по химии за 1907 г.). Таким образом, была открыта химическая природа реакций метаболизма. Кроме того, исследователь, имея в руках чистый метаболит, мог идентифицировать фермент, участвующий в реакции.

 

3.2.2. Исследования структуры биомолекул и путей их превращения в организме

 

Революция в естествознании начала XX в. изменила облик биологии и представления о сущности жизни. Классическая термодинамика сменилась термодинамикой открытых систем, способных к обмену веществом и энергией с окружающей средой. Одно из первых определений понятия открытой системы в приложении к живым организмам принадлежит австрийскому физику Э. Шредингеру (1887-1961), который в 1933 г. был удостоен Нобелевской премии за работы в области квантовой механики. В книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика», ставшей одним из манифестов биологии XX в., он писал: «Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды». Таким образом, смысл обмена веществ в организме состоит в замене веществ с низким химическим потенциалом на вещества с высоким химическим потенциалом и использовании энергии извне для повышения химического потенциала биомолекул. Особенность биологических систем состоит также в том, что они за счет ферментативных систем способны кинетически контролировать стремление системы к термодинамическому равновесию.

Открытая система не может быть равновесной, потому что ее сохранение требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. Возрастание неравновесности в результате поступления вещества или энергии приводит к разрушению взаимосвязи между старыми элементами системы и появлению новых связей и новых структур. Эти процессы получили название самоорганизации, а наука, изучающая эти процессы, названа синергетикой. Последняя основывалась на теории И. Р. Пригожина о динамических состояниях макроскопических систем особого типа - диссипативных самоорганизующихся структур - и теории бифуркаций, дифференцирующей беспорядочные флуктуации на равновесные и неравновесные и связывающей макроскопические свойства сложных систем с индивидуальными свойствами микроскопическических составляющих (Нобелевская премия по химии за 1977 г.). Теоретические представления о сущности жизни, сформировавшиеся к середине XX в., наиболее коротко представлены в определении жизни, данной Дж. Берналом: «Жизнь есть частичная, непрерывная, прогрессирующая, многообразная и взаимодействующая со средой самореализация потенциальных возможностей электронных состояний атомов».

Революция в физике явилась толчком для поисков молекулярных механизмов трансформации энергии в живых организмах. Заслуга открытия АТФ (1929) принадлежит немецкому биохимику К. Ломану (1898-1978). В. Энгельгардт (1894-1984) открыл в 1930 г. окислительное фосфорилирование, а в 1931 г. установил роль АТФ как энергоносителя в метаболических реакциях.

К началу XX в. накопилось много данных, свидетельствовавших о ферментативной природе превращений пищевых и резервных веществ автотрофов и гетеротрофов, причем конечными продуктами таких превращений

были углекислый газ и вода. Смысл этих превращений и их биологическая роль оставались непонятными, пока не было показано, что одним из конечных продуктов такого рода метаболических превращений является АТФ, которая является не только энергетическим мессенджером, но и химическим регулятором реакций энергетического метаболизма.

Первым метаболическим блоком на пути превращений глюкозы—главного энергоносителя, синтезирующегося в ходе фотосинтеза, - является гликолиз. Заслуга его открытия в 1905 г. принадлежит А. Гардену (1865-1940), Нобелевскому лауреату за 1929 г. и У. Ионгу. Все реакции гликолиза были расшифрованы к 1940 г. (работы с участием Г. Эмбдена, К. Нойберга, Я. Парнаса и др.). За открытие теплопродукции в мышце и тесную связь между поглощением кислорода и метаболизмом молочной кислоты в мышце в 1922 г. Нобелевскую премию получили англичанин А. Хилл (1886-1977) и немец О. Мейергоф (1884-1951). В 1931 г. Нобелевскую премию присудили немецкому биохимику О. Варбургу (1883-1970), открывшему ферменты и коферменты, с помощью которых осуществляется окисление глюкозы, а Г. Кори и Е. Кори описали процесс превращения глюкозы в гликоген и обратно, а также ферменты, катализирующие эти процессы (Нобелевская премия за 1947 г.).

Затем последовало исследование цикла трикарбоновых кислот - важнейшего этапа тканевого дыхания -проведенное в 1932-1937 гг. Г. Кребсом, А. Сент-Дьерди, К. Мартиусом и Ф. Кнопом. Этот цикл лимонной кислоты был назван в честь Г. Кребса (1900-1981), который в 1953 г. был удостоен Нобелевской премии. Вместе с ним эту премию получил Ф. Липман (1899-1986), который в 1945 г. открыл кофермент-А, что позволило связать углеводный и липидный метаболизм. В 1937 г. Сент-Дьерди получил Нобелевскую премию за открытие витамина С и изучение катализа фумаровой кислоты. Расшифровка терминальных стадий энергетического метаболизма с участием кислорода позволила понять, на каком этапе окисления энергоносителей действует кислород (Г. Шварц, Т. Масон, 1974).

Успехи в расшифровке метаболических процессов стимулировали попытки реконструировать исторический процесс возникновения жизни на земле. В 1924 г. А. И. Опарин (1894-1980) сформулировал общий подход к пониманию эволюции жизни на земле, разделив эволюцию живых организмов на два этапа: предбиологическую (химическую) эволюцию и собственно биологическую. Отсутствие следов предбиологической эволюции (протосистем) в наше время объяснялось изменениями условий на Земле, в том числе и появлением живых организмов. В дальнейшем Г. Юри (1893-1981) синтезировал ряд биомолекул в условиях, имитирующих добиологический период в эволюции Земли (1951). Два года спустя С. Миллер синтезировал ряд аминокислот, пропуская электрический заряд через смесь газов первичной атмосферы. Примерно в тоже время в лаборатории А. И. Опарина были проведены эксперименты по созданию протоклетки - белковых коацерватов, а С. Фокс с сотрудниками получили микросферы в качестве модели предбиологической системы. Результатом этих экспериментов явилось представление о том, что и химические компоненты клетки, и коллоидные системы, близкие к системам живой клетки, могут образовываться абиогенно. Подтверждением этому явились эксперименты на спутниках по синтезу аминокислот, нуклеотидов и других биомолекул под воздействием космического излучения. Косвенно эти эксперименты свидетельствовали о том, что зарождение жизни было возможно в других космических системах.

Проблема происхождения жизни и ее поиск на других планетах делали актуальными дискуссии о сущности жизни. Сложность заключается в том, что морфология и функциональные проявления носителей жизни очень разнообразны. Пересматривались взгляды на то, что мы называем организмом. В 1926 г. Г. Мёллер (1890-1967) написал работу «Ген как основа жизни», в которой изложил свои взгляды на универсальные базовые признаки жизни. Ген, находясь в окружении протоплазмы, обладает свойством «специфического аутокатализа», который определяет рост и эволюцию в более сложные формы. Нуклеиновая кислота в специфических условиях обладает необходимыми основными свойствами жизни: воспроизводимостью, изменчивостью и способностью к образованию сложных форм. С этой точки зрения вирусы следует рассматривать как элементарные живые существа, обязательным компонентом которых является нуклеиновая кислота и белок. Одной из современных точек зрения является представление о зарождении жизни как результате эволюции вселенной, а не одной только Земли.

История вирусологии начинается в 1892 г. с открытия Д. И. Ивановским (1864-1920) способности передачи мозаичной болезни табака соком, профильтрованным через бактериальные фильтры. Вирус табачной мозаики явился удобной моделью для исследования природы вирусов и установления их молекулярной структуры. Выделение этого (В. М. Стэнли, 1935 г.; Нобелевская премия за 1946 г.), а также рядов других вирусов в чистом виде позволило получить их в кристаллической форме и исследовать их структуру методом рентгеноструктурного анализа (Дж. Бернал и И. Фанкучен, 1941). В 1951 г. А. Д. Херши и М. Чейз показали, что в жизненном цикле бактериофага есть стадия, на которой вирусный белок и вирусная нуклеиновая кислота функционируют независимо. Способность очищенной вирусной нуклеиновой кислоты вызывать инфекцию была впервые показана А. Гирером и Г. Шраммом в 1956 г. на примере РНК вируса табачной мозаики. Жизненный цикл вирусов был подробно изучен на примере бактериофагов. Суть его состояла в том, что вирусная нуклеиновая кислота способна реплицироваться, используя ферментативный аппарат клетки-хозяина, а затем выступать в роли носителя информации для синтеза вирусных белков. Образование вирусных частиц стали рассматривать как кульминационный момент в морфогенетическом процессе, детерминируемым вирусной генетической нуклеиновой кислотой (М. Дельбрюк, А. Херши, С. Лурия - Нобелевские лауреаты за 1969 г.).

 

3.2.3. Функциональная биохимия

 

Успехи в исследовании путей метаболизма в 1950-1960-х гг. сопровождались открытием новых ферментативных систем, например, миозиновой АТФ-азы в 1931 г. (В. А. Энгельгардт), Ка, К-АТФ-азы мембран клеток нервной ткани и почек в 1957 г. (И. Скоу-Нобелевская премия за 1997 г.), Са-АТФ-азы саркоплазматического ретикулума мышечных клеток, Н+-АТФ-азы мембраны митохондрии, участвующих в синтезе АТФ (Е. Ракер, 1973 г.). Основной проблемой биохимии середины XX в. явилась роль ферментов как эффекторов биологических функций.

Этому этапу предшествовал этап изучения природы ферментативного катализа. К отличительным чертам биологического катализа относят высокую эффективность, специфичность и регулируемость. Объединение трех фундаментальных свойств в одной молекуле обеспечивается структурными особенностями белка. Таким образом, становится ясно, почему прогресс в энзимологии во многом определялся успехами в изучении структуры и физико-химических свойств белков.

Неоспоримым доказательством белковой природы ферментов явилось получение в 1927 г. Дж. Самнером (1887-1955) белковых ферментов в кристаллической форме. Он получил кристаллы уреазы - фермента, гидролизующего мочевину. Затем Дж. Нортроп (1891-1987) в 1930 г. выделил кристаллический пепсин. Оба они получили Нобелевскую премию по химии за 1946 г. Однако точка в спорах о природе ферментов была поставлена только в середине XX столетия после осуществления химического синтеза ряда ферментов и подтверждения их нормальной биологической активности.

Долгое время не удавалось расшифровать структуру белка. Трудности были связаны с его полимерной структурой, высокой лабильностью и гетерогенной природой мономеров (аминокислот), приводящей к химической полифункциональности белков. Большое значение для идентификации белков имел метод электрофореза, разработанный А. Тизелиусом (1902-1971) (Нобелевская премия по химии за 1948 г.) и метод распределительной хроматографии, предложенный А. Мартином (р. 1910) и Р. Сингом (1914-1994) (Нобелевская премия по химии за 1952 г.). Метод разделения пигментов на сорбционных материалах был открыт М. С. Цветом (1872-1919).

Впервые последовательность аминокислот в полипептиде (инсулине) установил в 1955 г. Ф. Сенгер (Нобелевская премия по химии за 1958 г.). Полный химический синтез природных белков был проведен только к 1970-м гг. Синтетические белковые продукты, обладающие высокой биологической активностью (рибонуклеаза А, обладающая 70-80 % ферментативной активности), были получены твердофазным методом, разработанным Б. Меррифильдом и Б. Гутте в 1962 г. (Нобелевская премия по химии за 1984 г.). Причина неудач химического синтеза полипептидов состояла, главным образом, в методологии химического подхода, которая не могла полностью исключить побочные реакции и влияние структурной организации белковой молекулы на механизм синтеза и вид получаемого продукта. Ферментативный синтез решал эти проблемы. Успех Б. Меррифильда и Б. Гутте как раз и состоял в том, что они смоделировали биологический синтез. Таким образом, работы по химическому синтезу при всех их практических ограничениях необычайно важны для понимания молекулярных механизмов и стратегии ферментативного контроля химических процессов в живом организме.

Исследования кинетики ферментативных реакций в 1950-х гг. привели к пониманию принципов функционирования ферментов и механизмов действия. Существенный вклад в эти исследования внесли Л. Михаэлис и М. Ментен. В 1953 г., основываясь на представлении о фермент-субстратном комплексе, они вывели уравнение скорости ферментативной реакции. Было постулировано, а затем доказано, что ферментативная реакция включает три этапа: связывание субстрата с ферментом, превращение субстрата в активном центре и освобождении продуктов реакции. Получила свое разрешение и проблема специфичности ферментов, особенно после расшифровки Д. Корн-форт принципа стереоспецифичности ферментативного катализа (Нобелевская премия по химии за 1975 г.).

Совершенствование методов очистки ферментов позволило обнаружить класс ферментов, для функционирования которых требовались небелковые факторы, получившие название коферментов. Оказалось, что не все требуемые коферменты синтезируются в организме, и в этом случае они должны поступать с пищей в готовом виде или в качестве предшественников. Этой группой пищевых факторов оказались витамины. Впервые связь витаминов с коферментами продемонстрировал в 1933 г. А. Теорелль (1903-1982), выделив первый кофермент - флавин мононуклеотид, образующийся из витамина В2 путем его фосфорилирования (Нобелевская премия за 1955 г.). Среди витаминов оказались и стерины -предшественники гормонов (витамины группы Д), открытые А. Виндаусом (1879-1959) - Нобелевским лауреатом по химии за 1928 г.

 

3.2.4. Интегрирующая роль физико-химической биологии в решении фундаментальных проблем биологии

 

Успехи в исследовании ферментативных процессов стимулировали раскрытие структуры белковых систем. Именно работы по химическому моделированию биологических процессов явились базой для разработки методологии молекулярной биологии. Если стратегия классической биологии была ориентирована на исследования в направлении от высших уровней биологической организации к низшим, от организма к клетке, то стратегия молекулярной биологии имела обратную направленность - от низших уровней к высшим, от молекул к клетке. В молекулярной биологии объединились почти все направления естественных наук, имеющие объектом исследования биологические молекулы. Это обстоятельство позволило ее назвать физико-химической биологией.

Решающим шагом в расшифровке функций белков явилось установление принципов структурной организации белка. Инструментом для решения такого рода задач явились рентгенографические исследования белковых кристаллов. В 1912 г. М. Лауэ (1879-1960) разработал теорию интерференции рентгеновских лучей в кристаллах (Нобелевская премия по физике за 1914 г.), а Л. Брегг (1890-1971) вывел уравнение, связывающее длину волны рентгеновского излучения с периодом идентичности кристаллической решетки. Таким образом, стало возможным определять координаты атомов в кристаллической решетке белка. Расшифровка рентгенограмм кристаллов различных белков позволила установить принципы структурной организации белка. В 1952 г. Линдерштрем-Ланг предложил классификацию уровней структурной организации белка, выделив четыре основных уровня. Дальнейшие исследования подтвердили справедливость данной классификации. Основные принципы структурной организации белка сформулировал в 1961 г. К. Анфинсен (1961-1995): 1) нативная конформация белка отвечает минимуму свободной энергии и полностью определяется аминокислотной последовательностью; 2) укладка белковой молекулы в физиологически активную форму вплоть до образования дисульфидных мостиков представляет собой спонтанный, детерминированный процесс. В 1972 г. он был удостоен Нобелевской премией по химии за исследования рибонуклеазы. Он впервые показал связь между аминокислотной последовательностью и биологически активной конформацией полипептидов. Вместе с ним Нобелевскую премию разделили С. Мур и У. Стайн за вклад в понимание связи между химической структурой и каталитическим действием активного центра рибонуклеазы. Развитие этих представлений привело к открытию каталитических свойств РНК (С. Олтмен и Т. Чек - Нобелевская премия по химии за 1989 г.)

Первым белком, для которого была определена третичная структура, стал миоглобин. Это исследование в 1950-х гг. выполнил Дж. Кендрю (1917-1997), в 1962 г. получивший Нобелевскую премию по химии совместно с М. Перутцем. Впоследствии методом рентгеноструктурного анализа были исследованы и другие белки с различными функциями. Накопление знаний о связи первичной структуры с высшими уровнями структурной организации белка позволили предсказывать третичную структуру, определяющую функциональные свойства белка. Зная структурную организацию белковой молекулы, можно было установить, какие аминокислоты входят в активный центр белка и предположить молекулярный механизм его действия. Данные работы явились решающими в понимании функциональных связей ДНК и белка с одной стороны и генетического кода и биологической функции - с другой.

Долгое время оставалось загадкой, как особенности структурно-функциональной организации передаются от одного организма к другому. Изучение закономерностей передачи биологических свойств от родителей к детям привело к формулированию понятия гена. В 1868 г. И. Мишер (1844-1895) открыл нуклеиновые кислоты, однако в течение долгого времени они не привлекали внимания биологов. Главные принципы строения нуклеиновых кислот были установлены благодаря исследованиям А. Косселя (1853-1927), открывшего аденин, тимин, гуанин и цитозин (Нобелевская премия за 1910 г.), А. Тодда (1907-1997, Нобелевская премия по химии за 1957 г.), А. Левина и о. Чаргаффа. Повторялась история с белком. Были описаны биологические эффекты, вызванные перемещением генов от одного организма к другому, но оставалось непонятной химическая природа гена и способ реализации информации, содержащейся в гене (см. подробнее гл. З.З.). В 1940-начале 1950-х гг. биохимический анализ процессов передачи наследственных свойств, происходящих у бактерий и вирусов, показал, что ДНК, а не белок, является носителем наследуемых свойств. Однако только после установления полной структуры ДНК и расшифровки структуры ферментативных систем матричного биосинтеза нуклеиновых кислот было осознано, что наследственная информация зашифрована в первичной структуре ДНК и сохраняется в ряду поколений при условии сохранения химической структуры мономеров (нуклеотидов) и их взаимного расположения в полимерной цепи. Декодирование генетической информации происходит при участии ферментов по пути ДНК -РНК - белок.

Биосинтез нуклеиновых кислот, как и полинуклеотидов, требует активированных предшественников: нуклеозидтрифосфатов в случае нуклеиновых кислот и аминоацил тРНК в случае полипептидов. Синтез и тех, и других осуществляется с участием АТФ. В 1957 г. М. Хогланд, П. Замечник и М. Сте-фенсон открыли систему активации аминокислот (тРНК и «рН-5-фермент»). Р. Роберте в 1959 г. устанавливает минимальный набор компонентов белоксинтезирующей системы.

Достижения в области молекулярной биоэнергетики явились революционными для понимания механизмов трансформации энергии в живых организмах. Центральную роль в этих событиях сыграла гипотеза П. Митчелла о сопряжении окисления биологических энергоносителей с синтезом АТФ, опубликованная в 1961-1966 гг. (Нобелевского премия по химии за 1978 г.). ] Главной концепцией данной гипотезы было представление об электрохимическом потенциале ионов водорода, генерируемого на мембране митохондрий (Ацн+ ) системой ферментов дыхательной цепи. (Ацн+) является конвертируемой формой энергии и может быть использован для совершения различных видов биологической работы, включая синтез АТФ. Экспериментальные доказательства были представлены в 1973 г. Э. Ракером, который реконструировал систему синтеза АТФ из компонентов, взятых от разных организмов, причем генератором Ац+ выступал бактериородопсин, выделенный из фотосинтезирующих бактерий. Как оказалось впоследствии, при фотофосфорилировании (биосинтезе АТФ в хлоропластах), как и при окислительном фосфорилировании, протонный градиент через мембрану (А]1Н+) запускает работу Н+-АТФ-азы, синтезирующей АТФ для образования углеводов из СО2 (А. Ягендорф, 1966). Было показано, что хлоропласты синтезируют АТФ в темноте при создании искусственного градиента рН (один из компонентов А(л.н+). Фотохимические реакции (фотолиз воды) необходимы для создания протонного градиента и синтеза НАДФ • Н (Р. Хилл, 1939). Последовательность реакций, ведущих к синтезу глюкозы, была описана в 1945 г. М. Кальвином (Нобелевская премия по химии за 1961 г.). В 1965 г. Нобелевскую премию в области химии получил Р. Вудворд (1917-1979) за синтез хлорофилла. Впервые пигменты растений и хлорофилл систематическому изучению были подвергнуты в работах Р. Вилынтеттера (1872-1942), Нобелевского лауреата по химии за 1915 г.

Успехи в изучении молекулярных механизмов трансформации энергии в живых организмах дали начало новой концепции биохимии—концепции «белок-машина». Как показали Нобелевские лауреаты по химии за 1997 г.

П Бойер, Дж. Уолкер и И. Скоу, белковые системы обладают всеми атрибутами молекулярных машин. Перспективы освоения новой области биохимии сулят революцию в химических технологиях.

Различные уровни организации живых организмов через системы регуляции вовлечены в процесс индивидуального развития. Системы коммуникации занимают в метаболизме особое место. Передача управляющего сигнала в клетке осуществляется химическими сигналами—химическими соединениями различной природы с уникальной структурой, отличной от соединений энергетического метаболизма. Различают первичные сигналы (к ним относятся гормоны) и вторичные, внутриклеточные, сигналы. В 1960 г. Э. Сазер-ленд (1915-1974) выделил циклический аденозинтрифосфат (Нобелевская премия за 1971 г.). В системы регуляции входят различные молекулярные сенсорные системы, рецепторы различной природы, генераторы и трансформаторы сигналов, каскадные системы усиления и инактивации. Системы рецепции сигнала работают на принципах распознавания химического структурного образа сигнальных молекул. Контроль за процессами химической сигнализации в клетке осуществляют белки. Представителями таких белков, организующих координацию трансформации сигналов, являются С- белки (А. Гилман, М. Родбелл - Нобелевская премия за 1994 г.). Е. Росс и А. Гилман в 1980 г. выделили аденилаткиназу - фермент, синтезирующий циклическую АМФ. Эффекторами, играющими роль триггеров, выступают протеинкина-зы, фосфорилирующие ферментные белки (Э. Кребс и Э. Фишер - Нобелевская премия за 1992 г.). Системы более высокой организации (иммунная система) способны распознавать высокоорганизованные молекулярные структуры - антигенные детерминанты. Действующим началом в биологическом узнавании выступают белки-антитела, специфические для определенных молекулярных структур (Д. Эдельман и Р. Портер - Нобелевская премия за 1972 г.).

 

3.2.5. Развитие молекулярных биотехнологий

 

Достижения в исследовании структуры и ферментативных механизмов превращения биомолекул, в первую очередь белков и нуклеиновых кислот, позволили по-новому взглянуть на биологические процессы. Стали понятны молекулярные механизмы многих биологических явлений, что явилось основой для создания новых наукоемких биотехнологий. Инструментами таких биотехнологий стали ферменты. Например, открытие ДНК-полимераз и выяснение механизмов их действия явилось основой для создания систем молекулярной генной диагностики (открытие полимеразной цепной реакции; К. Маллис, Нобелевская премия за 1993 г.). Открытие рестриктаз (специфических нуклеаз) позволило создавать новые генные конструкции, используемые в различных целях. Исследования механизмов фолдинга белков (укладки полипептидных цепей в функционально компетентную структуру) дали возможность понять механизм размножения в организме патогенных прионных белков. Иммобилизованные ферменты положили начало новым ферментным технологиям различного назначения (медицина, биосенсорика, молекулярные ЭВМ и др.).

Биохимия сыграла в истории биологии роль науки, вскрывающей причинно-следственные взаимоотношения в живой природе на уровне молекул. Она внесла существенный вклад в превращение биологии из описательной науки в количественную. Сегодня задачи биохимии состоят в изучении влияния высших уровней организации живых систем на процессы, протекающие на молекулярном уровне.

 

Литература

Бауэр Э. С. Теоретическая биология. - СПб.: Росток, 2002.

Возникновение и развитие химии с древнейших времен до XVII в. - М.: Наука, 1983.

Геннис Р. Биомембраны. - М.: Мир, 1997.

Кретович В.Л. Введение в энзимологию. - М.: Наука, 1986.

Поннамтрума С. Происхождение жизни. - М.: Мир, 1977.

Попов Е.М. Естествознание и проблема белка. - М.: Наука, 1989.

Попов Е.М. Проблема белка. - М.: Наука, 2000.

Хоровиц Н. Поиски жизни в солнечной системе. - М.: Мир, 1988.

Шамин А. Н. История биологической химии. - М.: Наука, 1994.

 

3.3. «Материализация» гена

 

Основные этапы становления, развития и современное состояние генетики лучше всего отражает развитие представлений о гене - элементарной единице наследственной информации, далее неделимой в функциональном отношении. Именно представление о дискретных носителях наследственной информации позволило включить в начале XX в. биологию в число точных естественных наук наряду с физикой и химией.

 

3.3.1. Зарождение менделизма

 

Основателем генетики по праву считается Грегор Иоганн Мендель (1822-1884). В 1865 г. этот моравский монах-августинец на заседании Брюннского общества естествоиспытателей сделал доклад о своих опытах над растительными гибридами и об их теоретическом осмыслении. Существенно, что он рассматривал наследование не целых органов, а альтернативных вариантов одного и того же признака и утверждал, что потомкам передаются не сами признаки, а их задатки - то, что в настоящее время мы называем генами. Особенно важно, что Мендель впервые сформулировал строгие правила проведения генетического анализа: скрещивание линий одного вида, контрастно различающихся по стабильным признакам, учет признаков в первом и последующих поколениях гибридов, а главное - количественный учет полученных результатов.

Мендель сформулировал рабочую гипотезу, которая была доступна количественной проверке. Ее сущность заключалась в рассмотрении стабильных наследственных факторов, которые объединяются при оплодотворении, расходятся и комбинируются при последующем образовании половых клеток и вновь объединяются при оплодотворении, дающем начало гибридам следующего поколения. Мендель впервые говорил о дискретных наследственных единицах, которые позже получили название генов. Все это выгодно отличало Менделя от его предшественников, часто работавших с межвидовыми гибридами, не проводивших количественного учета своих результатов и не имевшими столь четкой гипотезы, проверяемой в эксперименте.

Тем не менее, работу Менделя современники не оценили. Ссылки на нее были в уважаемых изданиях, включая «Британскую энциклопедию» 1881-1885 гг. (статья «Гибридизм»). Однако его не понимали, открытие оказалось преждевременным. Значение труда Менделя стало очевидным только в 1900 г., когда аналогичные результаты получили трое исследователей: Г. де Фриз (1848-1935) в Голландии, К. Корренс (1864-1933) в Германии и Э. Чермак (1871-1962) в Австрии. Именно де Фриз и Корренс сформулировали второй и третий законы Менделя—закон расщепления и закон независимого комбинирования признаков (наследственных задатков). Сам же Мендель в окончательном виде сформулировал только первый закон—закон единообразия гибридов первого поколения и правило доминирования как частный случай, описываемый этим законом. Он прекратил эксперименты по гибридизации, после того как по неудачному совету известного ботаника К. Нэгели (1817-1891) занялся скрещиваниями ястребинок (Hieracium) и получил результаты, существенно отличавшиеся от тех, что он наблюдал у гороха. Тогда не было известно о том, что для ястребинки характерно факультативно-апомиктическое размножение, чем и объяснялось расщепление в первом и отсутствие расщепления во втором поколении гибридов. В церковной карьере Мендель прошел путь от послушника до настоятеля монастыря св. Томаша в Брюнне (Брно).

Решающее значение в признании законов Менделя сыграло развитие клеточной теории (см. гл. 3.5). Еще до переоткрытия законов Менделя, в 1889 г., Т. Бовери (1862-1915) в опытах с морскими ежами доказал справедливость ядерной гипотезы наследственности, сформулированной в 1883-1884 гг. В. Ру, Э. Страсбургером и О. Гертвигом. Проводя оплодотворение безъядерных яйцеклеток нормальными сперматозоидами, Бовери показал, что полученные таким образом личинки по строению скелета наследуют признаки отца. В то же время при нормальном оплодотворении гибриды характеризовались промежуточным строением скелета по сравнению с отцовским и материнским организмами. Все более пристальное внимание привлекали хромосомы и их упорядоченное поведение в митозе и мейозе. Уже в 1896 г. вышло первое издание капитального труда Э. Вильсона «Клетка в развитии и наследственности», в последующих изданиях которого цитогенетика рассматривалась как самостоятельный раздел генетики.

Большую роль в признании менделизма сыграл А. Вейсман (1834-1914), уже в 1885 г. объяснивший биологический смысл мейоза, приводящего к редукции вдвое числа хромосом, как механизма поддержания постоянства числа хромосом при последующем оплодотворении. Значительную роль сыграло умозрительное учение Вейсмана о зародышевой плазме (1892), акцентировавшее различную судьбу генеративных и соматических клеток в размножении и онтогенезе диплоидных организмов. Ошибочное в деталях, оно предвосхищало хромосомную теорию наследственности и представления о дискретных наследственных единицах.

Особая роль в развитии менделизма принадлежит У. Бэтсону (1861-1926), учившемуся в 1884 г. в Северной Каролине (США) у У. К. Брукса, который был также учителем Э. Вильсона и Т. X. Моргана. В 1900 г. Бэтсон, направляясь читать лекцию из Кембриджа в Лондон, в поезде впервые прочел работу Менделя и был столь ею восхищен, что тут же включил рассказ о ней в предстоящее выступление. Бэтсон сам был близок к переоткрытию менделев-ских закономерностей. Еще в 1894 г. он издал труд, посвященный явлениям дискретной наследственности и изменчивости, а впоследствии ввел термин , «генетика» и определил эту новую науку как «физиологию наследственности и изменчивости». Бэтсон ввел понятия аллеломорфы, гомо- и гетерозигота, гомеозис. Экспериментируя в области генетики животных (куры) и растений (душистый горошек), Бэтсон предложил свой вариант обобщения менделевских закономерностей в виде двух законов генетики. Во-первых, правило чистоты гамет (1902), обобщавшее представления о существовании дискретных наследственных факторов, не смешивающихся при оплодотворении и разделяющихся в мейозе. Во-вторых, правило присутствия-отсутствия (1905), объясняющее явление доминирования. Доминантным оказывается ген (точнее его аллель), который осуществляет нормальную функцию, говоря на современном языке, кодирующий, например, активную молекулу фермента (присутствие), а рецессивным оказывается мутантный аллель, кодирующий неактивную макромолекулу (отсутствие). В дальнейшем Бэтсон, развивал свои представления о мутациях как о неизбежных потерях генетического материала, пришел к парадоксальным эволюционным выводам. Он считал, что более сложные, т. е. более эволюционно-продвинутые виды имеют более бедный генетический материал, нежели их эволюционные предшественники.

 

3.3.2. Мутационная теория и становление менделизма

 

Представления о возникновении признаков, наследуемых на альтернативной основе, были обобщены в мутационной теории Г. де Фриза, сформулированной им в 1901-1903 гг. Аналогичные взгляды на наследственную изменчивость высказал в 1899 г. С. И. Коржинский (1861-1900) в своей работе «Гетерогенезис и эволюция». Воззрения этих ученых представляли альтернативу  дарвинизму, так как они, как и многие ранние менделисты, считали, что мутации создают новые виды без вмешательства естественного отбора.

Еще при жизни де Фриза выяснилось, что материал, с которым он экспериментировал, Oenothera Lamarckiana, не подтверждает сделанных обобщений. Р. Гейтс и другие показали, что виды энотеры насыщены хромосомными перестройками (транслокациями), и наблюдавшиеся явления объясняются расщеплением сложных гетерозигот, а отнюдь не скачкообразными наследственными изменениями, как думал автор. В итоге он не описал ни одной реальной мутации. В настоящее время мы говорим не о мутационной теории, а о теории мутационного процесса, изучение которого началось лишь с интенсивного поиска мутантных форм в природных популяциях и попыток их получения искусственным путем.

Первые реальные мутации были описаны В. Л. Иоганнсеном (1857-1927) у растений, а затем Т. X. Морганом и его учениками у дрозофилы. Развитие теории мутационного процесса тесно связано с дальнейшим развитием представлений о дискретных наследственных задатках и разработкой теории гена. Термин «ген» ввел Иоганнсен в 1909 г. в труде «Элементы точного учения о наследственности». Этоттермин, согласно Иоганнсену, выражал «лишь тот точно установленный факт, что многие признаки организма обусловливаются в гаметах особыми, отделимыми и потому самостоятельными "состояниями", "основами", "задатками", короче - тем, что мы будем называть "генами"». В своих исследованиях он старался быть максимально точным, прибегая к измерениям во всех возможных случаях. В 1903 г. он сформулировал представление о чистых (гомозиготных) линиях у самоопыляющихся растений и показал, что отбор эффективен только в гетерогенной популяции и неэффективен в чистых линиях. Введя понятия «ген», «генотип», «фенотип», Иоганнсен связал ген с менделевскими факторами или задатками и сделал важный шаг в направлении понимания дискретности фенотипа. Он подчеркивал значение гибридологического анализа в установлении генотипа, чтобы в каждом исследовании четко разделять генотипические и фенотипические различия.

Свой главный труд «Элементы точного учения о наследственности» Иоганнсен посвятил Ф. Гальтону (1822-1911) - основателю евгеники и биометрии, географу, метеорологу, создателю близнецового метода в генетике. Он разработал метод составного портрета - предшественника современного фоторобота - и методы дерматоглифики, предложил количественный метод оценки интеллектуальных способностей, разрабатывал проблему наследования таланта. Наиболее значительный вклад Гальтон внес в развитие биометрии, разработав корреляционный анализ и метод регрессии. Приверженностью Иоганнсена к математическим методам и объясняется упомянутое посвящение в его книге. Существенным различием во взглядах Иоганнсена и Гальтона на применение математики в биологии было то, что Гальтон невольно подменял биологический смысл эксперимента статистикой, сводя наследственность к корреляции между степенью схожести и степенью родства. В то же время Иоганнсен подчеркивал значение биологического эксперимента, прежде всего, генетического анализа, используя статистику только как метод оценки полученного результата и доказывая реальность дискретных носителей наследственной информации.

В начале XX столетия полемика между менделистами (У. Бэтсон, В. Иоганнсен и др.) и биометриками (Ф. Гальтон, Р. Фишер, К. Пирсон и др.) носила острый, даже антагонистический характер. Дальтон уверял, что биологи, занимавшиеся микрокопированием клетки, не могут сказать ничего о том, какая реальная информация в них содержится. С точки же зрения Бэтсона, исследования наследственности, производимые биометриками, служат лишь развитию теории статистики, всячески затемняя вопросы наследственности и получаемые генетиками данные. Известным «послесловием» этой полемики была статья «Переоткрыты ли труды Менделя?» (1936) ученика Галътона Р. Фишера, в которой автор указал на то, что Мендель получил слишком хорошее совпадение своих результатов с теоретически ожидаемыми, в то время как согласно распределению % вероятность этого результата слишком низка.

Дискуссия по этому вопросу не утихает до сих пор. Так, например, В. Орел (1984) привел следующий аргумент в защиту Менделя. Применение статистической оценки вероятности уже свершившихся событий—порочный прием. То, что уже произошло, имеет вероятность, равную 1, как, например, сегодняшняя погода, независимо от вчерашнего прогноза. Поэтому, пользуясь логикой Фишера можно доказать, что любой читатель этих строк не существует, т.к. вероятность слияния именно данного сперматозоида с яйцеклеткой оценивается приблизительно, как 1:250.000.000 (столько сперматозоидов содержится в одном эякуляте мужчины). При этом можно оценить и ничтожную вероятность встречи родителей читателя и ничтожный шанс их появления на свет (1:250.000.000)* и т. д.

Символом становления генетики (менделизма) как самостоятельной науки и наметившегося ее синтеза с эволюционной теорией стало появление в 1908 г. проведенных независимо друг от друга исследований математика Г. X. Харди и врача В. Вайнберга, которые математически описали наследование в популяциях организмов. Закон Харди-Вайнберга, выражающий частоты аллелей и генотипов в равновесной (менделевской) популяции, заложил основы теоретической популяционной генетики. В дальнейшем в трудах С. С. Четверикова (1880-1859) и его учеников появилось новое направление исследований - генетика популяций как основа эволюционного процесса.

 

3.3.3. Т. X. Морган и теория гена

 

Следующим крупнейшим достижением в познании природы наследственности стала хромосомная теория американского генетика Т. X. Моргана (1866-1945). Он начинал как эмбриолог, как и Э. Вильсон, был учеником У. К. Брукса в Университете Джонса Гопкинса и работал на Неаполитанской морской зоологической станции и после ряда лет, проведнных в качестве преподавателя в женском колледже Брин Мор в Кентукки (США), в конце концов в 1904 г. присоединился к Вильсону в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Благодаря Вильсону Морган получал информацию о прогрессе в области изучения хромосом из первых рук. Именно в лаборатории Вильсона У. Сэттон в 1902 г. высказал гипотезу о том, что менделевские факторы (впоследствии гены) находятся в хромосомах, и предсказал явление сцепления генов. Большое влияние на формирование Моргана как ученого оказали физиолог Ж. Лёб (1859-1924) и эмбриолог Г. Дриш (1867-1941).

Морган был, скорее, эмпириком и с трудом принимал новые теории. До 1910 г. он был скептически настроен по отношению к менделизму, а до 1915 г. критиковал дарвиновское понимание естественного отбора. Под влиянием фактов он в обоих случаях переменил точку зрения. Более того, он разработал хромосомную теорию наследственности и сформулировал первый вариант теории гена. Морган преуспел в создании собственной научной школы и работу его и его ближайших учеников - А. Стёртеванта, К. Бриджеса и Г Дж. Мёллера - историки науки называют первым примером успешной коллективной работы в биологии. В течение 17 лет в лаборатории, называемой «мушиной комнатой», они работали вместе, несмотря на разницу в политических взглядах и очень непростые характеры.

Главным достижением школы Моргана следует считать разработку частной генетики дрозофилы (Drosophila melanogaster) и создание хромосомной теории наследственности. Согласно этой теории, гены расположены в хромосомах в линейной последовательности. Таким образом, гены, расположенные в одной хромосоме, сцеплены друг с другом и могут перекомбинироваться в мейозе, т.е. гомологичные хромосомы вступают в процесс кроссинговера и обмениваются гомологичными участками. Частота кроссинговера отражает расстояние между генами и, таким образом, можно строить карты групп сцепления.

Морган сформулировал теорию гена, т.е. систему представлений о том, что гены, находящиеся в хромосомах представляют собой элементарные, далее не делимые единицы наследственной информации. Согласно морганов-ской теории, ген един в трех лицах, будучи единицей мутации (т.е. он изменяется как целое, переходя в новое аллельное состояние), единицей рекомбинации (т.е. кроссинговер не происходит внутри гена), единицей функции (т.е. ген контролирует некоторую функцию, которую не может осуществлять никакая меньшая генетическая единица). Тест на аллелизм между рецессивными мутациями как критерий их принадлежности к одному гену, предложенный Морганом (1926), используется в генетике до сих пор.

За создание хромосомной теории в 1933 г. Морган был удостоен Нобелевской премии. Его ученик Мёллер (1890-1967) был удостоен Нобелевской премии в 1946 г. за открытие в 1927 г. мутагенного действия рентгеновских лучей. До Мёллера мутагенный эффект «лучей радия» на низшие грибы показали в СССР Г. А. Надсон (1867-1940) и Г. С. Филиппов (1900-1934). Тем не менее, присуждение Нобелевской премии именно Мёллеру было справедливым, поскольку в отличие от своих предшественников он предложил специальный количественный метод учета мутаций определенного типа - рецессивных легален - в конкретной хромосоме (Х-хромосоме) дрозофилы. Для этого он вывел специальную линию дрозофилы, так называемую линию CLB, которую до сих пор широко используют дрозофилисты.

Представления Моргана о гене как о далее не делимой генетической единице всецело зависели от разрешающей способности генетического анализа того времени. Не последнюю роль в последующем увеличении этой разрешающей способности сыграло открытие Мёллером индуционнного мутагенеза. Исследователям стали доступны большие коллекции мутантов, что сказалось на дальнейшем развитии теории гена. Уже в 1929 г. А. С. Серебровский (1892-1948) начинает публиковать работы, посвященные строению гена sc-ас (scute-achaete) у D. Melanogaster.  Со своими молодыми коллегами при помощи рентгеновских лучей он получал мутации в этом локусе и исследовал их проявление в скрещиваниях мутантов друг с другом. Результатом этой работы стало открытие так называемого ступенчатого аллелизма и последующая формулировка А. С. Серебровским и Н. П. Дубининым (1907-1998) центровой теории гена. Ген перестал быть единицей мутации. Сложные отношения аллелизма в гене зс-ас показали, что функциональный тест на аллелизм относителен, как и рекомбинационный. Дело в том, что в 1937 г. Мёллер, работавший тогда в СССР, и А. А. Прокофьева-Бельговская показали рекомбинацию в пределах sc-ас.

В 1940-1950-е гг. в США в работах М. Грина, К. Оливера, Э. Льюиса факты внутригенной рекомбинации у дрозофилы были подтверждены. При этом кажущееся противоречие между результатами функционального теста на аллелизм (мутанты в скрещивании дают мутантный гибрид) и наличия между исследуемыми мутациями рекомбинации породило маловразумительное объяснения о «псевдоаллелизме».

 

3.3.4. Гены - это ДНК

 

Дрозофила оказалась не самым удобным объектом для изучения проблемы гена. Начиная с 1930-1940-х гг. в генетических исследованиях стали использоваться микроорганизмы, высокие темпы размножения которых и применение метода селективных сред позволили повысить разрешающую способность генетического анализа. Первыми объектами были грибы—дрожжи и хлебная плесень Neurospora crassa, С нейроспорой начал экспериментировать молодой сотрудник Моргана К. К. Линдегрен. Первые скрещивания дрожжей рода  Saccharomyces провели в 1937 г. датские исследователи О. Винте и О. Лаустсен. В конце 1940-начале 1950-х гг. наличие внутригенной рекомбинации было неоднократно подтверждено у грибов. Сложная структура гена становилось очевидной.

Эта революция в представлениях о структуре и функции гена завершилась с привлечением в генетику бактерий и бактериофагов, исследование которых позволило конкретизировать основные генетические процессы на молекулярном уровне. Еще в 1928 г. бактериолог Ф. Гриффите (1877-1941) открыл трансформацию пневмококков. Он показал, что свойство патогенности Drosophila melanogaster может быть передано невирулентным штаммам пневмококков, если их ввести мышам вместе с убитыми нагреванием клетками патогенного штамма. В 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти идентифицировали трансформирующий агент как ДНК. До этого подавляющее большинство исследователей связывали наследственность с белками. Вскоре были открыты еще два процесса, ведущие к обмену генетическим материалом у бактерий. В 1946 г. Дж. Ледерберг и Э. Тейтум (Нобелевская премия за 1958 г.) открыли у кишечной палочки  Escherichia coli своеобразный половой процесс - конъюгацию, а в 1951 г. ученик Ледерберга Н. Зиндер открыл транс-дукцию—перенос генов при помощи бактериофага между различными штаммами бактерии Salmonella typhimurium. Вскоре было получено еще одно

прямое доказательство роли ДНК в наследственности. А. Херши и М. Чейз в 1952 г. показали, что при инфекции бактерии бактериофаг впрыскивает в клетку только свою ДНК, которой достаточно для развития полноценных фаговых частиц следующего поколения.

Концепция «ДНК-овой наследственности» стала логическим продолжением хромосомной теории, которой как будто противоречили данные о цитоплазматической наследственности, открытой в 1908-1909 гг. К. Корренсом и Э. Бауром. Некоторые гены, контролирующие пестролистность у высших растений, передавались в скрещиваниях не с ядром, а с цитоплазмой, в частности, с пластидами. В дальнейшем были открыты гены в митохондриях. От наследования митохондрий зависела, например, передача цитоплазматической мужской стерильности у кукурузы как это показали М. Роде в США и М. И. Хаджинов в СССР в 1930 г., и у других растений. В начале 1960-х гг. в пластидах (А. Рич и Р. Сэджер с сотрудниками), митохондриях (М. и С. Насс, 1963 г.) и некоторых других самовоспроизводящихся клеточных органеллах была найдена ДНК, отвечавшая за пластидную и митохондриальную (т.е. за органелльную) наследственность. ДНК оказалась универсальным носителем генетической информации.

Другое важное событие, ставшее основой для формирования молекулярной генетики, произошло в 1943 г. Дж. Бидл и Э. Тейтум (Нобелевская премия за 1958 г.), основываясь на результатах исследования биохимических мутаций у нейроспоры, пришли к выводу, что гены контролируют активность ферментов, и выдвинули свой знаменитый постулат: «Один ген - один фермент». Этот лапидарный научный лозунг разделил сообщество биологов на тех, кто старался его доказать, и тех, кто старался его опровергнуть. В итоге стало ясно, что есть ферменты, активность которых зависит более, чем от одного гена, а есть гены, которые вообще не кодируют белков, например, гены транспортных или рибосомных РНК. В любом случае оказалось, что каждая биологически активная молекула белка или РНК закодирована в генетическом материале.

Благодаря исследованиям трансформации и развития бактериофагов стало очевидно, что гены - это ДНК. Руководствуясь именно этой посылкой, к расшифровке ее структуры приступили в послевоенный период в нескольких лабораториях. Э. Чаргафф, в 1949-1951 гг. работавший в США в Колумбийском университете, показал, что количество азотистых оснований в ДНК -  аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г), цитозина (Ц) следует строгой закономерности. Количество А=Т, а Г=Ц. Это правило Чаргаффа. Кроме того, соотношение (А+Т) / (Г+Ц) специфично для каждого вида. Ученик специалиста по бактериофагам С. Лурии Дж. Уотсон, приехавший из США в лабораторию Дж. Кендрью в Англии, и физик Ф. Крик, работавший в Кевендишской лаборатории, исходя из данных Чаргаффа и опираясь на данные рентгенострук-турного анализа, полученные в лаборатории Р. Франклин и М. Уилкинса (Королевский колледж в Лондоне), в 1953 г. опубликовали структурную модель ДНК. За это открытие в 1962 г. Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию. Р. Франклин скончалась от рака в 1958 г.

 

В своей работе Уотсон и Крик предложили также схему полуконсервативной репликации ДНК, которую в 1957 г. доказали М. Мезельсон и Ф. Сталь. Почти в то же время (1956-1957 гг.) А. Корнберг выделил из Е. со1i первую ДНК-полимеразу, фермент, способный синтезировать ДНК, а С. Очао синтезировал РНК в пробирке (Нобелевская премия за 1959 г.). В дальнейшем оказалось, что ДНК-полимераза Корнберга не является истинной репликазой, а отвечает за репарацию молекул ДНК. Тем не менее, это было начало исследования энзимологии репликации. По современным данным число ДНК полимераз и других белков, участвующих в воспроизведении генетического материала, также как и белков репарации, достигает нескольких десятков даже у бактерий. Доказательства генетической роли и расшифровка структуры ДНК предоставили возможность простого объяснения природы генов как участков ДНК с различной последовательностью нуклеотидов, кодирующих первичную структуру отдельных молекул белков, а также рибонуклеиновых кислот. В этих последовательностях есть знаки начала и конца считывания гена.

Основываясь на таких или близких к ним положениях, С. Бензер подробно исследовал тонкую структуру генов гIIА и гIIВ у бактериофага Т4, паразин тирующего на Е. соli. В начале 1960-х гг. Бензер показал, что в гене любая точка может мутировать путем замены, вставки или выпадения пары нуклеотидов, могут происходить и более существенные изменения, например, деление части или целого гена. Рекомбинация может разделять даже соседние пары нуклеотидов. Тем не менее, все аллельные рецессивные мутации можно отнести к одному и тому же гену на основании моргановского функционального теста. При этом рекомбинационный и функциональный критерии аллелизма страдают некоторой долей неопределенности из-за возможности внутригенной рекомбинации и сложных аллельных отношений (межаллельной комплементации) в некоторых генах, а именно, в генах, кодирующих белки, состоящие из идентичных субъединиц. Это явление межаллельной комплементации было подробно исследовано у грибов в 50-60-е гг. XX в.

Ситуацию спасает существование мутаций по любому гену, которые принципиально не способны к межаллельной комплементации и могут служить универсальными (для данного гена) тестерами для определения аллелизма. Термины, предложенные Бензером для обозначения единицы мутации (мутон) и рекомбинации (рекон), представляют теперь чисто исторический интерес, поскольку речь идет об отдельных или соседних парах нуклеотидов. Не получил распространения и термин «цистрон», вместо термина «ген», поскольку он не добавил ничего нового к представлениям о гене как о единице функции по сравнению с моргановским определением.

 

3.3.5. Структура и функция гена: молекулярная парадигма

 

Вскоре выяснилось, что и как кодируют гены. Первые соображения я природе генетического кода высказал в 1954-1956 гг. американский физия русского происхождения Г. Гамов. Самым разумным предположением, вы сказанным в доэкспериментальный период обсуждения кода, было соображение о том, что код, скорее всего триплетен, т.е., одной аминокислоте в белке соответствует сочетание из трех пар нуклеотидов в ДНК. В 1961 г. Крик и его коллеги опубликовали блестящее экспериментальное исследование природы генетического кода. Это был в чистом виде генетический анализ основанный на получении мутаций—вставок и выпадений пар нуклеотидов, а также их совмещения в одном гене путем рекомбинации с использованием разработанной Бензером системы гII фага Т4. Стало ясно, что код действительно триплетный, считывается с фиксированной точки в пределах гена, триплеты не отделены запятыми друг от друга. Скорее всего, код вырожденный, или избыточный и, как показали дальнейшие работы, код универсальный или точнее квазиуниверсальный.

Уже в 1950-е гг. биохимики и цитологи пришли к представлению о том, что синтез белка в эукариотической клетке происходит в цитоплазме и зависит от РНК. А. Н. Белозерский и А. С. Спирин в 1956 г. предположили, а Е. Волкин и Е. Астрачан в 1957 г. доказали существование специального класса РНК - информационной, или мессенджер-РНК (иРНК, или мРНК), переносящей информацию от ДНК к месту белкового синтеза на рибосомах. Это было сделано с использованием системы фаг Т2 - бактерия Е. соli, в которой после инфекции появлялась РНК, соответствующая по нуклеотидному составу ДНК бактериофага. Таким образом, информация, кодирующая структуру белков, переносится с ДНК на мРНК и затем считывается на рибосомах в ходе синтеза белков.

Роль второго важнейшего участника в реализации генетической информации, транспортных РНК (тРНК), была определена еще до их открытия. В 1955 г. Ф. Крик в статье, которая так и не была опубликована, постулировал существование полинуклеотида-адаптера, который несет аминокислоты и образует водородные связи с кодирующей полинуклеотидной матрицей. Адаптерная гипотеза была доказана в работе Ф. Шапвиля и других в 1962г. В 1961 г. с работой Ниренберга и Дж. Матгей началась расшифровка кодонов in viro в бесклеточных системах синтеза белка. Расшифровка всех 64-х возможных триплетов, составленных путем комбинирования четырех нуклеотидов в мРНК, была завершена в 1964-1965 гг. За эти исследования М. Ниренберг, Р. Холли и Г. Корана в 1968 г. были удостоены Нобелевской премии. Так сложилась молекулярная парадигма в представлениях о структуре и функции генов.

В 1961 г. на Московском международном биохимическом конгрессе, где Ниренберг и Маттей представили свои первые результаты по расшифровке кодонов in viro, произошло и другое важное событие - Ф. Жакоб и Ж. Моно представили схему регуляции действия генов у бактерий на уровне транскрипции - синтеза мРНК (Нобелевская премия за 1965 г.). Это была схема оперонной регуляции, ставшая затем классической и положенная в основу изучения регуляции действия гена у всех организмов.

Окончательная конкретизация представлений о строении генетического материала связана с разработкой методов установления первичной структуры нуклеиновых кислот. Решающую роль в этом процессе сыграло открытие ферментов-эндонуклеаз рестрикции, или рестриктаз. Все началось с открытия С. Лурия, Г. Бертани и Дж. Уэйглом в первой половине 1950-х гг. явления рестрикции-модификации бактериофагов. В 1962 г. В. Арбер (Нобелевская премия 1978 г. совместно с Д. Натансом и X. Смитом) показал, что в клетках бактерий Е. соli существуют ферменты, модифицирующие (в основном метилирующие) основания ДНК и, тем самым, предохраняющие ее от разрушения собственными рестриктазами. Не модифицированная ДНК расщепляется рестриктазами, узнающими специфические последовательности, состоящие примерно из 5 пар нуклеотидов. В начале 1970-х гг. Смит подтвердил открытие Арбера для бактерии Haemophilus influencae, а Натане использовал рестриктазы для анализа структуры ДНК обезьяньего вируса ЗУ40. Так было положено начало физическому (рестрикционному) картированию молекул ДНК, в котором маркерами служили сайты рестрикции для различных эндонуклеаз рестрикции, благо разнообразие рестриктаз разной специфичности оказалось огромным.

Использование рестриктаз легло в основу метода определения первичной структуры (секвенирования) ДНК, разработанного в середине 1970-х гг. А. Мак-самом и У. Гилбертом, которые использовали разработки А. Д. Мирзабекова и Е. Д. Свердлова, сделанные в Институте молекулярной биологии АН СССР. В 1973 г. Ф. Сенгер предложил иной метод секвенирования ДНК, основанный на остановке репликации ДНК на каждом из четырех нуклеотидов. В 1980 г. Ф. Сенгер и У. Гилберт вместе с П. Бергом были удостоены Нобелевской премии по химии. Это была вторая Нобелевская премия по химии Сенгера. Первую он получил в 1958 г. за метод секвенирования белков (см. гл. 3.2).

В 1983 г. К. Маллис (Нобелевская премия по химии за 1993 г.) открыл по-лимеразную цепную реакцию—широко применяемый ныне метод ПЦР, позволяющий амплифицировать (избирательно синтезировать) любой участок генома, если известна хотя бы часть его нуклеотидной последовательности. Методы ферментативного анализа нуклеиновых кислот в 1970 г. дополнило открытие Г. Теминым и Д. Балтимором (Нобелевская премия в 1975 г.) РНК-зависимой ДНК-полимеразы, известной как обратная транскриптаза, или ревертаза. Этот фермент способен делать копии ДНК на геноме некоторых вирусов, чей генетический материал представляет РНК. К их числу относится вирус иммунодефицита человека (СПИД). Использование этого фермента позволяет синтезировать ДНК-копии любых мРНК in vito.

На этих методах выросли так называемые геномные проекты, направленные на установление полной нуклеотидной последовательности ДНК разных видов, из которых наиболее известен «Геном человека», практически завершенный к началу XXI столетия. На рубеже веков родилась новая наука -  геномика.

П. Берг был одним из первых исследователей, разрабатывавших в 1960-х гг. технику рекомбинантной ДНК и осознавших значение этого метода, широко используемого ныне в генной инженерии, для получения и клонирования генов. Рождение генной, или генетической, инженерии произошло в начале 1970-х гг. В 1974 г. по инициативе П. Берга в Асиломаре (США) прошла конференция, на которой впервые были высказаны опасения о возможных негативных для человечества последствиях экспериментов по клонированию генов болезнетворных бактерий, вирусов и генов человека. Хотя эти опасения оказались сильно преувеличенными, они были первым предупреждением о грядущих морально-этических проблемах, с которыми ученые столкнулись после того, как в 1997 г. И. Уилмут доказал возможность клонирования млекопитающих.

 

3.3.6. Сравнительная молекулярная биология гена

 

Методы генной инженерии и прямые определения первичной структуры молекул ДНК позволили перейти от косвенных, генетических, критериев («blackboard arguments of genetics», как назвал их С. Бреннер) при изучении генетического материала к прямому физическому исследованию генов, их структуры и функций. Сформировалась область исследования, которую Дж. Уотсон назвал «молекулярной биологией гена».

В результате торжества молекулярной парадигмы структура гена стала представляться универсальной для всех живых существ, также как универсальным считался и генетический код. Представления об универсальном строении гена и генетического материала в конце 1960-х гг. лучше всего характеризует высказывание, приписываемое Ж. Моно: «То, что справедливо для кишечной палочки, справедливо и для слона».

Дальнейшее развитие теории гена оказалось связанным именно с выявлением различий между таксономически удаленными друг от друга организмами. Прежде всего, это выяснение того, что оперонная организация и регуляция действия генов характерна только для бактерий, но отнюдь не для эукариот. Бактериальный оперон, как показали Ф. Жакоб и Ж. Моно, объединяет несколько генов, регулируемых как единица транскрипции. Гены эукариот не объединяются в опероны, и каждый из них, как правило, регулируется отдельно, служит матрицей для отдельной молекулы иРНК и кодирует один полипептид.

В 1977 г. Ф. Шарп и Р. Роберте (Нобелевская премия за 1993 г.) обнаружили, что ДНК генов аденовируса 2 значительно длиннее, чем соответствующие им иРНК. Так было открыто мозаичное или интронэкзонное строение генов, характерное для эукариот. Как оказалось, в ДНК гена и в его первичном транскрипте чередуются участки, представленные в молекуле зрелой иРНК (экзо-ны) и участки, в ней не представленные (интроны), которые удаляются при созревании первичного транскрипта. Этот процесс получил название сплайсинга. Термин заимствован из морского дела и означает сращивание канатов.

В этот же период еще два открытия поколебали устоявшиеся представления об универсальности структуры и функции гена: обнаружение перекрывающихся генов у некоторых вирусов и установление вариаций генетического кода. Некоторые кодоны такого квазиуниверсального кода имеют разное значение не только у разных организмов, но и в разных компартментах эукариотической клетки - ядре и митохондриях.

Заколебалось и казавшееся незыблемым представление о постоянстве линейного расположения генов в хромосомах. Еще в 1950 г. Б. Мак-Клинток на основании исследований генетической нестабильности у кукурузы высказала предположение о существовании так называемых контролирующих, или мобильных, генетических элементов. В конце 1960-х гг. М. Грин привлек аналогичную гипотезу для объяснения нестабильности гена XV у дрозофилы. Эти необычные гипотезы нашли окончательное подтверждение только в 1970-е гг., когда у бактерий были открыты, клонированы и исследованы транспозоны -последовательности ДНК, способные перемещаться по геному и переносить «классические» гены в новые места локализации. В 1983 г. Б. Мак-Клинток получила за свое открытие Нобелевскую премию.

Ген оказался изменчив в онтогенезе. В конце 1970-х гг. С. Тонегава обнаружил, что участки ДНК, кодирующие вариабельные и константные участки иммуноглобулинов мыши, у взрослого животного расположенные в виде непрерывной последовательности, в их эмбрионах или половых клетках пространственно разделены (Нобелевская премия за 1987 г.). В тот же период А. Херсковиц, Дж. Хикс и Дж. Стразерн показали, что закономерное переключение типов спаривания в жизненном цикле у гомоталличных дрожжей-сахаромицетов также сопряжено с перестройками генетического материала.

Перемещение акцентов в изучении гена на молекулярный уровень, и, особенно, возникновение геномики, породило много проблем, лишь косвенно связанных с генетикой, например, открытые рамки считывания, определяемые прямым секвенированием геномов, когда очевидно, что в данном участке что-то закодировано, но неизвестно, что именно; нуклеотидные последовательности, относительно которых неясно, кодируют ли они что-нибудь; консенсусы, или усредненные по структуре последовательности регуляторньгх, мигрирующих, теломерных, автономно-реплицирующихся и других элементов генома. Попытки точного соподчинения «молекулярных» и классических генетических проблем вряд ли будут успешными. Это связано с тем, что организм или клетка представляют собой многоуровневую систему, в которой структуры и законы функционирования низшего (молекулярного) уровня не тождественны таковым на высшем (биологическом) уровне.

 

3.3.7. Теория мутационного процесса и относительная стабильность генов

 

Стабильность генетического материала, казавшаяся загадочной в начале XX в., получила объяснение в исследованиях механизмов мутационного процесса и рекомбинации. Открытие в 1927 г. Г. Мёллером мутагенного действия рентгеновых лучей стимулировало исследования Н. В. Тимофеева-Ресовского (1900-1981) по использованию радиации в изучении гена в Берлин-Бухе, в Институте кайзера Вильгельма, где он с 1925 г. возглавлял Отдел генетики. В 1935 г. вышла его работа, написанная совместно с физиком М. Дельбрюком и математиком К. Циммером, в которой они, основываясь на разработанном ими же принципе попадания, определили размер гена как сопоставимый с размером небольшого участка макромолекулы. При этом авторы исходили из моргановского представления о гене как единице мутации. Они продемонстрировали линейную (одноударную) зависимость частоты мутаций от дозы рентгеновых лучей.

Работа Тимофеева-Ресовского, Циммера и Дельбрюка заинтересовала физика, нобелевского лауреата Э. Шредингера, который написал свою знаменитую брошюру «Что такое жизнь? С точки зрения физика» (1944). Книгу прочли будущие нобелевские лауреаты Ф. Крик и М. Уилкинс и занялись биологией. Молекулярные биологи С. Бензер, М. Уилкинс и Г. Стент признавались, что знакомство с книгой Шредингера сыграло решающую роль в их переходе из физики в биологию. Итогом стала расшифровка структура ДНК -  центральное событие в биологии XX в.

Еще в 1928 г. Л. Стадлер получил мутации у растений с помощью рентгеновских лучей, и в том же году М. Н. Мейссель в лаборатории Г. А. Надсона открыл химический мутагенез у дрожжей. В начале 1930-х гг. возникновение мутаций при использовании сравнительно слабых химических мутагенов -  йода, уксусной кислоты, аммиака - было продемонстрировано на примере дрозофилы В. В. Сахаровым в Москве и М. Е. Лобашевым и Ф. А. Смирновым в Ленинграде. В 1939 г. С. М. Гершензон открыл сильный мутагенный эффект экзогенной ДНК у дрозофилы. Наконец, в 1946 г. были открыты химические супремутагены азотистый иприт (Ш. Ауэрбах, Дж. Робсон, Англия) и этиленимин (И. А. Рапопорт, СССР).

С. Лурия и М. Дельбрюк в 1942 г. на основании разработанного ими флуктуационного теста показали случайный характер спонтанных мутаций у бактерий. Причины спонтанных мутаций оставались неизвестными. Попытки объяснить их действием фоновой радиации или как результат случайных флуктуации атомов оказались неудовлетворительными. Изучая химический мутагенез у дрозофилы, М. Е. Лобашев (1907-1971) разработал физиологическую, или паранекротическую, гипотезу мутационного процесса, в которой впервые поставил рядом понятия «мутация» и «репарация», считая, что мутация - не результат непосредственного изменения гена при попадании в него ионизирующей частицы или кванта энергии, а результат восстановления, репарации, генетического материала клетки после его повреждения. Лобашев исходил из распространенного тогда представления о белковой природе генов, тем не менее, его гипотеза оказалась применимой к рассмотрению повреждения и репарации ДНК. В СССР эта гипотеза развития не получила из-за запрета генетики в 1948 г. Тем не менее, к концу 1960-х гг. Р. фон Борстел в США пришел к похожему заключению, высказав мнение, что мутации - это результат ошибок трех «Р»: репликации, репарации и рекомбинации.

Казавшаяся удивительной стабильность генов оказалась связанной не с консервативностью ДНК как материального носителя наследственности, а с существованием в клетках специальных систем репарации, устраняющих из ДНК повреждения, возникающие в ней как ошибки репликации или в результате действия различных повреждающих агентов. В 1949 г. в нескольких лабораториях было открыто явление фотореактивации повреждений, возникающих после действия на ДНК ультрафиолетового света. Другой механизм репарации, связанный с устранением повреждений из ДНК за счет рекомбинации, в 1964 г. обнаружили Р. Бойс и П. Говард-Фландерс. Они выделили мутантов Е. соli с поврежденной системой такой репарации. Эти мутанты обладали повышенной чувствительностью к летальному действию УФ-излучения. Вскоре Р. Петтиджон и Ф. Хэнэуолт показали, что поврежденные участки могут вырезаться из молекулы ДНК с последующим ее ресинтезом. Роль систем репарации показана и в рекомбинации хромосом, в частности, система коррекции неспаренных оснований является существенной частью молекулярной схемы кроссинговера, предложенной в 1964 г. Р. Холлидэем. В настоящее время изучение систем репарации ДНК является областью интенсивных исследований. У многих мутантов с поврежденной репарацией оказалась повышенной частота как спонтанных, так и индуцированных мутаций, что доказывает значение репарации в обеспечении стабильности генетического материала.

 

3.3.8. Не только ДНК

 

Идея эпигенетического наследования, не связанного непосредственно с генами, обсуждается едва ли не со времени их открытия. В 1939 г. К, Уоддингтон предложил понятие эпигенотип, подразумевая под ним совокупность причинно-следственных связей, управляющих развитием оплодотворенной яйцеклетки. В дальнейшем под эпигенетическими факторами стали понимать любые факторы кроме генов, которые могут обусловить наследственную передачу. В 1921 г. В. Йоллос описал так называемые длительные модификации у парамеций, наследовавших устойчивость к ядам после предварительного воздействия на них тех же агентов. В 1951 г. Т. Соннеборн описал явление кортикальной наследственности, связанное с наследованием структуры цитоплазмы у инфузорий.

Открытие механизмов рестрикции-модификации ДНК показало, что наследственные свойства могут зависеть не только от чередования нуклеотидов, но и от их специфической модификации - метилирования. В 1984 г. Сурани и другие описали явление геномного импринтинга у млекопитающих, т. е. наследование уровня экспрессии генов в зависимости оттого, какой родитель передает их в зиготу. Это также оказалось связанным с модификацией определенных нуклеотидных последовательностей ДНК. В 2002 г. Ф. Шлойтелс с сотрудниками показали, что за геномный импритинг отвечают некодирующие антисмысловые РНК, комплементарные импринтированным генам.

Кроме того, в 1950-1960-х гг. было открыто явление, как казалось, вообще не укладывавшееся в представления о роли ДНК в наследственности. Сначала Д. К. Гайдузек (Нобелевская премия совместно с Б. Бламбергом за 1976 г. за открытие «медленных» вирусов) обнаружил в племени Форе на Новой Гвинее смертельную болезнь куру, или «смеющуюся смерть», которая, как выяснилось, передавалась в результате ритуального каннибализма. Попытки выявить инфекционное начало в виде бактерий или вирусов не увенчались успехом. Сходные нейродегенеративные заболевания человека-болезнь Кройцфельда-Якоба, синдром Герштона-Штресслера-Шейнкера, семейная смертельная бессонница, а также животных-скрэпи овец и коз, аналогичные заболевания оленей, норок, мышей, крыс, хомяков, кошек и, наконец, губчатая болезнь мозга крупного рогатого скота (она же коровье бешенство) оказались обусловленными белковой инфекцией. Патогенным оказался белок - прион.

Сначала Дж. Гриффит выдвинул, а затем в 1982 г. С. Прузинер (Нобелевская премия за 1997 г.) развил концепцию «только белок». Сенсация «белковой наследственности» в чистом виде просуществовала недолго. Оказалось, что в геноме всех млекопитающих существует эволюционно консервативный ген РККР, кодирующий нормальный клеточный белок нервной системы, являющийся предшественником белка-приона. Прионизация белка заключается в спонтанном или инфекционном появлении в клетке конформа-ционно измененного белка, который далее изменяет конформацию всех вновь синтезируемых гомологичных белков по своему образу и подобию и инициирует их олигомеризацию с последующим образованием выпадающих в осадок белковых агрегатов - амилоидов.

Значение работ Прузинера и его коллег подчеркивает обнаружение при-онов и прионного механизма наследования у дрожжей. Разумное объяснение некоторых необычных фактов цитоплазматического наследования у них на основе прионной концепции принадлежит Р. Уикнеру (1994). Последующие доказательства были получены Уикнером в США и группой исследователей кафедры генетики Санкт-Петербургского университета, открывшими ранее структурный ген для первого дрожжевого приона. Так был расшифрован новый механизм истинно цитоплазматического наследования.

Литература

Володин Б. Боги Грегора Менделя //На пути к невероятному, - М.: Знание. 1967. С. 5-88.

Гайсинович А. Е. Зарождение и развитие генетики. - М.: Наука, 1988.

Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.

Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. - М.: Высшая школа, 1989.

Инге-Вечтомов С. Г. Прионы дрожжей и центральная догма молекулярной биологии// Вестник РАН. 2000. Т. 70. № 3. С. 195-202.

Канаев И. И. Фрэнсис Гальтон. - Л.: Наука,. 1972.

Лауреаты Нобелевских премий. Энциклопедия. В 2-х тт. - М.: Прогресс, 1992.

Музрукова Е. Б. Т. X. Морган и генетика. Научная программа школы Т. X. Моргана в контексте развития биологии XX столетия  - М.: Грааль, 2002.

Рейвин А. Эволюция генетики. - М.: Мир, 1983.

Тимофеев-Ресовский Н. В. Истории, рассказанные им самим, с письмами, фотографиями и документами. М.: Согласие, 2000.

Уотсон Дж. Д. Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК, - М.: Мир, 1969.

 

3.4. «Пришествие» микробов

 

3.4.1. Прокариоты как объект микробиологии

 

Автором термина «прокариоты» был французский биолог Э. Шатон, разработавший в 1937 г. дихотомическую макросистему, в которой организмы подразделяются на прокариоты и эукариоты. Современные критерии ме-гаклассификации сложнее: согласно им учитывается не только наличие или отсутствие ядра в клетке, но и общий план ее строения, принципы функционирования генетических, метаболических и транспортных систем. Сходный тип клеточной организации могут иметь организмы, максимально удаленные друг от друга на эволюционном древе. Если к прокариотам вначале относили только бактерий, то теперь в этот мегатаксон включают представителей самостоятельной эволюционной линии—архей. Таким образом, решение проблем мегаклассификации и глобальной филогении, выяснение соотношений между понятиями «прокариоты», «бактерии» и «археи» необходимы для определения микробиологии как специфической области биологии.

Термин «микробиология» («наука о малых формах жизни») предложил в 1895 г. Э. Дюкло. Формально к числу объектов микробиологии относят все микроорганизмы. Однако из-за использования размерного критерия в эту группу попадают объекты с разным типом организации и разным эволюционным происхождением: прокариотные микроорганизмы (бактерии и археи), ядерные одноклеточные микроорганизмы (протисты, состоящие из представителей разных царств) и ядерные многоклеточные микроорганизмы (некоторые грибы, растения и животные), существа, не имеющие клеточного строения (вирусы). Филогенетически неоднородную группу протестов изучает протистология, микроскопические представители царств грибов, растений и животных принадлежат к сферам исследований соответственно микологии, ботаники и зоологии, неклеточные существа составляют предмет вирусологии.

Таким образом, круг объектов микробиологии ограничен прокариотами - бактериями и археями. Раздел микробиологии, изучающий бактерий, называется «бактериологией». Автором этого термина является Ф. Кон, который в 1875 г. назвал бактериями безъядерные одноклеточные микроорганизмы, размножающиеся бинарным делением. Другой раздел микробиологии изучает архей,  и мог бы называться «археологией». Термин «археи» («древние существа») был предложен К. Возом в 1984 г. взамен названия «архебактерии» («древние бактерии»), которое он дал в 1977 г. микроорганизмам, не относящимся к филогенетическому стволу бактерий, но имеющим прокариотическое строение.

Две разные группы прокариотов составляют предмет одной дисциплиной вполне оправданно. У бактерий и архей сходная архитектура клетки, они менее компартментализованы, чем эукариоты, и организация генетического аппарата у них иная. Они имеют много общего в строении и роли субклеточных структур, сходные метаболические и транспортные системы, а также регуляторные процессы. Бактерии и археи размножаются делением и существуют в природе как клональные популяции; микроэволюция в таких генетических системах подчиняется одним закономерностям. Наконец, их изучают с помощью общих методов; для анализа их биоразнообразия используется единая стратегия скрининга.

Как было показано в предшествовавших разделах, путь бактерий и архей в биологию имеет долгую и сложную историю. Первые свидетельства существования бактерий предоставил в 1676 г. А. ван Левенгук, который описал их морфологию, размеры, подвижность и распространение. Однако прогресс бактериологии прямо зависел от методического и технического оснащения, и микроскопирование бактерий после блестящего дебюта затормозилось на два столетия. Недостатки классических микроскопов были устранены только после создания Э. Аббе в конце XIX в. теории изображений. На ее основе механик К. Цейс и фабрикант стекла Ф. Шотт изобрели составные объективы, иммерсионную масляную систему и конденсорный осветитель. Микроскопы нового поколения были внедрены в практику микробиологических исследований Ф. Коном (1828-1898) и Р. Кохом (1843-1910) в конце 1870-х гг. После того, как Р. Кох разработал методику фиксации клеток на стеклах, окрашивание их анилиновыми красителями и применил микрофотографирование, наблюдение бактерий стало надежно документированным.

Открытие бактериальной этиологии заболеваний человека и животных в конце XIX в. ускорило прогресс фундаментальной медицинской микробиологии (морфологии, физиологии и систематики бактерий) и ее приложений (диагностики, антисептики и терапии). Агрономическая микробиология обособилась в конце XIX в., а первые шаги биотехнологии, связанные с использованием ферментативной активности микроорганизмов, прослеживаются с начала XX в. Расцвет фундаментальной микробиологии в середине XX в. связан с изучением биоразнообразия бактерий.

 

3.4.2. История изучения биоразнообразия бактерий

 

Летопись изучения биоразнообразия бактерий помнит много славных имен, среди которых выделяется «большая четверка» - Л. Пастер, Р. Кох, С. Н. Виноградский и М. Бейеринк. Особым авторитетом пользовались несколько школ - французская (Париж), немецкая (Берлин), голландская (Дельфт) и две американские в Калифорнии (Беркли и Сан-Диего). Как любая биологическая наука, микробиология постоянно расширяла круг объектов и проникала в закономерности их функциональной организации. Первые свидетельства того, что бактерии обладают особыми физиологическими свойствами и могут проявлять высокую биологическую активность, были получены при исследовании брожения и гниения. В дальнейшем был сделан вывод, что биоразнообразие бактерий выражается не в разнообразии морфологии (как у эукариотов), а в разнообразии метаболических процессов.

Брожение и гниение. Практическое использование этанола и лак-тата уходит корнями в глубокую древность, однако до начала XIX в. накопление этих веществ не связывали с жизнедеятельностью дрожжей и бактерий. Основа химизма спиртового брожения была раскрыта в 1810 г. физиком Ж. Гей-Люссаком, который предвосхитил современное понимание брожения как суммарной окислительно-восстановительной реакции и показал, что ферментируемый сахар расщепляется на окисленную и восстановленную части («меловую» кислоту и винный спирт). Хотя в конце 1830-х гг. ТТТ, Каньяр-Ла-тур, Т. Шванн и Ф. Кютцинг установили, что спиртовое брожение представляет собой биологический процесс, вызванный «сахарными грибами», их оппоненты, сторонники контактной теории брожения (Я. Берцелиус, Ю. Либих, Ф. Велер и Э. Митчерлих) рассматривали дрожжи как белковый «фермент», который катализирует реакцию превращения сахара в этанол, сам при этом оставаясь неизменным.

Француз Л. Пастер (1822-1895), начавший свой научный путь с исследований по стереохимии, сосредоточился позднее на изучении микроорганизмов, вызывающих разные типы брожения с накоплением этилового спирта, молочной или масляной кислот. Первым вкладом Л. Пастера в бактериологию стало доказательство того, что молочнокислое брожение имеет биологическую природу и вызывается микроорганизмами, которые не требуют для роста воздуха и морфологически отличаются от дрожжей (1857). Исследования облигатно анаэробных возбудителей маслянокислого брожения, выполненные Л. Пастером в 1861 г., позволили ему прийти к выводу о возможности жизни в отсутствие кислорода. Он вбил осиновый кол в теорию абиогенеза, показав невозможность зарождения даже микроорганизмов.

Открытие анаэробиоза изменило представление о жизни и оказало огромное влияние на последующее развитие микробиологии. Гипотезу о сбраживании сахара растворимым биологическим катализатором, или «энзимом», выделяемым клетками дрожжей, предложил в 1858 г. М. Траубе. Однако только в 1897 г. Э. Бухнер получил бесклеточный препарат дрожжей, в котором сохранялась активность «зимазы», расщепляющей сахарозу до спирта и углекислоты. В 1905 г. А. Харден и У. Лиг установили, что для алкогольной ферментации необходимо участие фосфата. С этого момента физиологическая энзимология пошла семимильными шагами.

Другим микробным процессом, изучение которого сыграло ключевую роль в формировании представлений о биоразнообразии бактерий, стало гниение. Во второй половине XIX в. были разработаны методы выделения чистых культур и способы выращивания бактерий на питательных средах, позволившие опровергнуть идею Ю. Либиха о том, что гниение связано со спонтанным преобразованием органических молекул. Процессы гниения были подробно изучены в 1870-х гг. Л. Пастером и Ф. Коном, установившими, что в основе гниения лежит активное разложение азотсодержащих веществ под действием бактерий. Ф. Кон провел параллель между растительной «диастазой», превращающей крахмал в сахар, и энзимами, с помощью которых бактерии расщепляют белки и другие вещества, а затем используют азотосодержащие продукты для собственного роста. Л. Пастер первым сообщил об аммонификации мочевины и выделил шаровидные бактерии, отвечающие за этот процесс.

Бактериальные инфекции. Начиная с 1870-х гг., гниение и токсикогенные гнойно-септические явления стали рассматривать не как причину, а

как следствие заболеваний человека и животных, инфицированных болезнетворными бактериями. Если Л. Пастер доказал связь между жизнедеятельностью специфических бактерий и специфическими формами брожений, то Р. Кох установил, что разные типы бактериальных инфекций вызывают характерные гистопатологические изменения, и поврежденная ткань содержит этиологический агент заболевания. Развивая идеи анатома Я. Генле, предложившего в 1840 г. стратегию поисков возбудителей инфекционных процессов, Р. Кох сформулировал основные положения, необходимые для выявления причинно-следственной связи между микробным агентом и вызываемым им патологическим процессом. Эти постулаты, названные «триадой Коха», предусматривали: 1) установление при помощи микроскопических и цитохимических методов, что агент всегда обнаруживается при данной болезни и связан только с ней; 2) отделение специфического агента от других и получение его чистой культуры на питательной среде; 3) воспроизведение болезни на экспериментальном животном путем заражения его чистой культурой специфического агента. В 1876 г. Р. Кох определил этиологическую природу возбудителя сибирской язвы. Это была первая инфекционная бактерия, найденная в крови животного, и первая патогенная бактерия, выделенная в чистой культуре. Одновременно было получено доказательство того, что конкретный вид бактерий вызывает заболевание со специфической симптоматикой.

1870-1890-е гг. стали звездным часом для охотников за микробами. Э. Хансен в 1874 г. обнаружил возбудителя проказы, после чего открытия болезнетворных бактерий последовали одно за другим. В 1881 г. А. Огстон описал патогенные гемолитические стафилококки. Возбудителя легочного туберкулеза выделил в 1882 г. Р. Кох (Нобелевская премия за 1905 г.) Во время эпидемии, разразившейся в 1883 г. в Египте и Индии, Кох открыл возбудителя холеры, в этом же году Ф. Розенбах описал гноеродных стрептококков, а Э. Клебс и Ф. Лефлер сообщили о находке агента дифтерии. Г. Гаффки идентифицировал в 1884 г. возбудителя брюшного тифа, и тогда же Ф. Розенбах описал спорообразующую бактерию, вызывающую столбняк. Т. Эшерих открыл в 1885 г. кишечную палочку, первого оппортунистического патогена. Первый обнаруженный агент венерического заболевания, гонореи, был выделен А. Нейсером в 1889 г. Возбудитель чумы был открыт А. Ерсеном и Ш. Ки-тасато во время эпидемии в Гонконге в 1894 г. Природа дизентерии была установлена К. Шига в 1898 г. Возбудитель сифилиса был открыт Ф. Шаудином и Э. Гофманом в 1905 г., а коклюша—Ж. Борде и О. Жангу в 1906 г.

Исследования патогенных бактерий было неразрывно связано с поисками возбудителей болезней среди других микроорганизмов. За выявление патогенной роли малярийного плазмодия Ш. Лаверану (1845-1922) в 1907 г. была присуждена Нобелевская премия. Пятью годами раньше ее получил Р. Росс (1857-1932), установивший в 1897 г., что переносчиком малярии были комары определенного вида. Вскоре были открыты переносчики сыпного тифа (ТТТ. Николь, Нобелевская премия за 1928 г.), желтой лихорадки и т.д.

Успешное изучение возбудителей бактериальных инфекций стало залогом побед над ними. В 1867 г. Д. Листер (1827-1912) изобрел антисептику и предложил использовать фенольные соединения для обработки ран и операционных полей. В 1880-1890 гг. Р. Кох, Ф. Кон и П. Эрлих описали антибактериальное действие других веществ, в том числе формалина. Одновременно с работами немецкой школы по выявлению специфических возбудителей представители французской школы искали биологические средства борьбы с инфекционными заболеваниями. Вместе с сотрудниками Л. Пастер создал метод аттенуации, т.е. снижения вирулентности микроба в результате многократных пересевов при субоптимальной температуре (42° С) или путем заражения животного, не являющегося основным носителем. Введение аттенуированного возбудителя создавало иммунитет к ряду заболеваний.

В начале 1900-х гг. изучение возбудителей инфекций и поиски методов борьбы с ними привели И. И. Мечникова (1845-1916) к созданию фагоцитарной теории иммунитета (Нобелевская премия за 1908 г.), одновременно с ним Э. Беринг (1854-1917) (Нобелевская премия за 1901 г.) и Ш. Китасато (1856-1931) разработали теорию гуморального иммунитета. Толчком для дальнейшего развития иммунологии послужила гипотеза П. Эрлиха (1854-1915) о механизме взаимодействия между антигенами и направленными против них специфическими антителами (Нобелевская премия за 1908 г.).

Открытие Г. Домагком (1895-1964) антибактериального эффекта сульфаниламидов (Нобелевская премия за 1939 г.) доказало возможность создания эффективных химических препаратов против заболеваний, вызываемых бактериями. Открытие в 1928 г. А. Флемингом (1881-1955) пенициллина, выделение его в 1940 г. в чистом виде Э. Чейном (1906-1979) и X. Флори (1898-1968) (Нобелевская премия за 1945 г.) и налаживание его производства в 1943 г. открыли эру антибиотиков. Этот термин был введен 3. Ваксманом (1888-1973), открывшим стрептомицин (Нобелевская премия за 1952 г.). В 1955-1962 гг. было выявлено 90% антибиотиков, продуцируемых бактериями-стрептомицетами. В настоящее время число антибиотиков, включая гибридные и полусинтетические, исчисляется тысячами.

Успехи иммунизации и антибиотикотерапии в 1940-1960 гг. были так велики, что в 1969 г. генеральный хирург США У.Стюарт доложил Конгрессу о победе над инфекционными болезнями. Однако оптимизм оказался преждевременным, хотя в период с 1890 по 1980 гг. смертность от инфекционных заболеваний снизилась почти в 20 раз (с 797 до 36 на 100 тыс. человек). По данным Всемирной организации здравоохранения на 1998 г. она составляла 25%, причем наиболее частой причиной летального исхода является пневмония (3,5 млн. случаев в год), кишечные заболевания (2,2 млн. в год) и туберкулез (1,5 млн. в год). Обнаружены новые агенты бактериальных инфекций, например, легионелла. Одной из причин реванша бактерий служит технический прогресс, изменение окружающей среды, демографические сдвиги и расширение международных контактов. Другое объяснение кроется в появлении устойчивых форм вирулентных бактерий и ослаблении мер общественного здравоохранения.

Экология бактерий. Бактерии вездесущи и занимают ниши от исключительно благоприятных до экстремальных. Их космополитизм и

эвритопности способствуют микроскопические размеры, разнообразие и лабильность метаболических систем. «Отцом экологической бактериологии» считается С. Н. Виноградский (1856-1953). Ему принадлежит учение о роли бактерий в природных экосистемах, в первую очередь, в круговороте биогенных элементов. Метод элективных сред, разработанный Виноградским в 1890-х гг., обеспечивает преимущественное развитие бактерий, обладающих специфическими функциональными свойствами. На нем основан скрининг биоразнообразия и лабораторный анализ функционально специализированных видов и сообществ бактерий. В 1892 г. Р. Такстер идентифицировал мик-собактерий как важную группу микроорганизмов почвы и описал их жизненные циклы. Значение почвенных актиномицетов было установлено в 1920-х гг. 3. Ваксманом и М. Бейеринком (1851-1931). С помощью элективного метода М. Бейеринк и его сотрудники в 1900-1940-х гг. получили накопительные и чистые культуры молочно- и уксуснокислых бактерий, бактерий, гидролизующих мочевину, разрушающих агар, окисляющих водород, серу и метан, восстанавливающих сульфат и нитрат, синтезирующих целлюлозу, а также светящихся, анаэробных спорообразующих и аэробных диазотрофных бактерий.

В начале XX в. общая экология бактерий разделилась на почвенную, водную и геомикробиологию. Наблюдения, послужившие исходной точкой почвенной микробиологии, были проведены Виноградским в 1920-х гг. на биостанции Бри-Кон-Робер под Парижем. Им была сформулирована концепция об автохтонных и аллохтонных бактериях как двух группах в составе почвенных экосистем. Важную роль сыграл метод стекол обрастания, разработанный Н. Г. Холодным в 1930 г., и капиллярный метод, изобретенный в 1961 г. Б. В. Перфильевым и Д. Р. Габе. Представители российской школы микробиологии (Д. Г. Звягинцев, Н. А. Красильников, Е. Н. Мишустин, Г. А. Надсон и др.), а также их западные коллеги 3. Ваксман и А. Лочхед сыграли выдающуюся роль в изучении экологии почвенных бактерий.

Первые исследования микробного состава континентальных водоемов были проведены на фототрофных бактериях, которых в настоящее время относят к группе пурпурных аноксигенных (они были описаны еще 1830-х гг. X. Эренбергом). Адаптированные к низкому освещению зеленые аноксиген-ные бактерии были открыты Г. А. Надсоном в 1906 г. Пионером морской микробиологии был К. Зобелл, который в 1940-1950-х гг. изучил состав популяций, заселяющих толщу морской воды. Во второй половине 1970-х гг. X. Янаш предпринял скрининг Мирового океана, в ходе которого было установлено, что численность психрофильных бактерий увеличивается с глубиной. В 1958-1975-х гг. фундаментальные исследования психрофилов провели Р. Морита, Д. Бэросс и Д. Ингрэм, после чего интерес к этим объектам упал, и исследователи переключились на экстремально термофильных бактерий и гипертермофильных архей.

В настоящее время значение, придаваемое бактериям, обитающим в прибрежных и материковых областях полярных регионов, снова возросло. Широкий резонанс получили данные о бактериальных сообществах подледного антарктического озера Восток, изолированного от контактов с поверхностью в течение последних 420 тыс. лет. В составе морских экосистем А. Йенос в 1979 г. обнаружил адаптированных к высокому гидростатическому давлению барофильных бактерий. По данным X. Янаша, полученным в середине 1970-х гг., пробы воды, поднятые с океанических глубин, содержат олиготрофные бактерии. В ходе экологического мониторинга фитопланктона Мирового океана С. Чизхолм обнаружила в 1988 г. содержащую хлорофилл «б» цианобактерию прохлорококкус, оказавшуюся чемпионом по численности особей и общей биопродуктивности.

Большой раздел геомикробиологии посвящен бактериям-экстремофилам, к числу которых относятся термофильные формы. В 1888 г. П. Мигуэль выделил первую термофильную бациллу, затем были описаны многие бактерии с анаэробным или анаэробным типом метаболизма. При температуре выше 60°С могут развиваться только прокариоты. Подобные условия создаются в слежавшемся сене, компостных кучах, а также в природных гидротермах и охладительных системах. На протяжении последних 20 лет фундаментальные исследования термофильных бактерий проводились в производственных системах (Д. Зейкус), а также в термальных источниках и на геотермальных полях (Т. Броком и Р. Кастенгольцем в Северной Америке, К. Штеттером в Гренландии, Г. И. Каравайко и Г. А. Заварзиным в различных регионах Евразии). Галофильные бактерии, живущие в гипергалинных водоемах, описаны К. Зобеллом в 1940-х гг., X. Ларсен в 1960-х гг. и Г. Трюпером в 1970-х гг. Большинство бактерий предпочитает нейтральные или слабощелочные условия, однако встречаются мезофильные и термофильные ацидофилы - в первую очередь это литотрофы, использующие серу, железо, аммиак, водород и окись углерода. Многие из них имеют практическое значение и были описаны в конце 1970-х гг. Д. Браэрли, Г. И. Каравайко, Р. С. Головачевой и др.

В последние годы в изучении экстремофилов наметился ряд новых задач. По инициативе Г. А. Заварзина предпринято изучение микробных экосистем в гидротермах, галофильных сообществ в лагунах, а также алкалофильных сообществ в содовых озерах, которые служат аналогами доисторических экосистем.

С тех пор как М. Бейеринк приступил в 1888 г. к изучению ризобиального симбиоза, список экологических ниш, занимаемых симбиотическими бактериями, расширился и стал включать филлосферу и ризосферу растений, наружные покровы и пищеварительную систему животных, а также - в случае эндоцитобиоза - цитоплазматический и ядерный компартменты эукариотных клеток. В конце XX в. экологическая микробиология занялась эндолитическими и подземными бактериями (в том числе, обитающими в нефтяных резервуарах), а также бактериями в составе биообрастаний, биопленок и других экстремофильных экосистем.

Самое молодое направление экологической микробиологии посвящено изучению проблем гиперанабиоза и экзобиологии. Анализ редких ситуаций, когда бактерии в состоянии гиперанаэробиоза сохраняют жизнеспособность на протяжении геологических периодов, позволяет не только определить хронологические лимиты индивидуальных организмов, но и изучить функциональную структуру живых ископаемых. Способность к гиперанаэробиозу могла способствовать распространения жизни в мировом пространстве в соответствии с идеей панспермии. Принято считать, что ее сформулировал в 1900-х гг. С. Аррениус, хотя на самом деле такие соображения выдвинул С. Ж. де Монливо еще в 1821 г., а в 1865 г. X. Рихтер пытался дополнить ими теорию Ч. Дарвина.

Косвенным доводом о возможности внеземной жизни (экзобиологии) до недавнего времени служили данные о способности бактериальных эндоспор к анабиозу и их устойчивости к повреждающим воздействиям. Вегетативные клетки бактерий также способны сохранять жизнеспособность в условиях, соответствующих космическим (низкие температуры, обезвоживание, высокая радиация). Л. Ламберт сообщил в 1998 г. о реанимации стафилококков, иммобилизованных в доминиканском янтаре возрастом 25-35 млн. лет, а после того, как в 2000 г. Р. Врелэнд реанимировал бацилл из кристаллов галита, предельный возраст анабиотических бактерий достиг 250 млн. лет. Аргументами в пользу реальности экзобиологии служит наличие воды на Марсе и юпитерианской луне Европе, а также сообщение Д. Маккея о находке в 2000 г. внутри марсианского метеорита АЬН84001 частиц магнетита, поразительно сходных с биогенными магнитосомами.

Функциональная цитология бактерий и их генетика. Возможность изучать анатомию бактерий появились когда на вооружение были взяты методы электронной микроскопии. В 1950-1960-х гг. Р. Вильяме ввел напыление тяжелыми металлами, Г. Пелэйд стал использовать для фиксации оксиды осмия, С. Ньюмен разработал метод изготовления ультратонких срезов, Э. Келленбергер предложил фиксацию глутаровым альдегидом и контрастирование ацетатом уранила. В 1960-1970-х гг. М. Солтон и Р. Мюррей получили первые данные об оболочке и внутренних мембранах бактерий, Д. Чэпмен и К. Робиноу описали клеточное деление и морфологию нуклеоида, Р. Фиц-Джеймс исследовал дифференциацию эндоспор, М. Депамфилис изучил строение жгутика, Т. Шмидт дал характеристику включений. Во второй половине 1970-х гг., когда Н. Наннинга внедрил в бактериологию процедуру замораживания-скалывания и появился метод криофиксации и криозамещения, цитологические наблюдения бактерий получили защиту от артефактов. Знания об ультраструктуре бактерий вышли на новый качественный уровень в начале 1990-х гг. после внедрения флуоресцирующих зондов, что позволило выявить внутреннюю анизотропию бактериальной клетки, проследить репликацию хромосомы и цитокинез.

Генетический анализ бактерий долго ограничивался изучением спонтанных и индуцированных мутаций, а также гомологичной рекомбинации на основе парасексуального процесса. Начало генетических экспериментов с бактериальными мутантами было положено в 1940-х гг. М. Дельбрюком и С. Лурия (см. гл. 3.3). Ранее факт наследования лизогениии бактериальными клетками был продемонстрирован Ж. Борде (1870-1961). В 1928 г. Ф. Вернет (1899-1985) высказал гипотезу, что наследственные признаки передаются с помощью генов через жидкость, окружающие клетки. В том же году было опубликовано первое сообщение Ф. Гриффитса об обмене генами между бактериями. Вскоре они стали одной из главных моделей в генетике.

В начале 1950-х гг. у бактерий нашли экстрахромосомные автономно реплицирующиеся генетические элементы (названные по предложению Д. Ледерберга плазмидами), которые обеспечивают фертильность, колициногенность, лекарственную устойчивость, способность вызывать биодеградацию ксенобиотиков и ряд других признаков. Горизонтальный перенос генов в составе плазмид повышает генетическую гетерогенность внутри бактериальных популяций. Конъюгация, или контактная передача генов от донора к реципиенту с помощью плазмиды, была открыта в 1946 г. Д. Ледербергом и Э. Тейтумом (см. гл. З.З.). Это главный тип горизонтального переноса генов у бактерий, и анализ рекомбинации у эксконъюгантов кишечной палочки сыграл важную роль в становлении генетики бактерий. В 1950 г. А. Львов (1902-1994), изучая лизогению, показал, что вирус (профаг) может включаться в геном клетки (Нобелевская премия за 1965 г.). Гомологичная рекомбинация в результате трансдукции, или переноса бактериофагом бактериальных генов, которая осуществляется с помощью тех же механизмов, что и конъюгативная рекомбинация, была исследована Н. Зиндером и Д. Ледербергом в 1952 г. Негомологичная рекомбинация, обеспечиваемая транспозонами, которые встраиваются в геном акцептора с помощью мигрирующих инсерционных последовательностей, была описана Р. Ридом в начале 1980-х гг.

Открытие ресгрицирующих эндонуклеаз С. Линном и У. Арбером в 1968 г., а также первой сайт-специфической рестриктазы X. Смитом в 1970 г. позволило создать технологию рекомбинантных ДНК, клонирования генов и их секвенирования. Благодаря этому появилась возможность определения нуклеотидной последовательности генов, что в конечном счете, привело к созданию бактериальной геномики.

Метаболизм бактерий. Выдающаяся роль в выяснении основ метаболизма бактерий принадлежит А. Клюйверу (1888-1956), который в 1926 г. сформулировал принцип биохимического единства жизни. Ему принадлежит афоризм «все организмы, от маслянокислой бактерии до слона, имеют общую биохимическую основу». Помимо этой парадигмы он создал концепцию конструктивного метаболизма, согласно которой анаболические и катаболические процессы состоят из цепей окислительно-восстановительных реакций. Клюйвер считается также «отцом сравнительной биохимии» -  он рассматривал микробов как объекты для реконструкции основных метаболических путей. Особое значение для расшифровки пути биосинтеза аминокислот и других первичных метаболитов, а также участия коферментных форм витаминов в ферментативных реакциях имели работы Ю. Снелла, выполненные в 1950-1960-х гг. на бактериях группы кишечной палочки, псевдомонадах и актиномицетах.

Общебиологический резонанс вызвали работы Р. Стениера 1950-х гг., благодаря которым был реконструирован генеральный путь биосинтеза полиизопреноидов, а также раскрыт механизм защитного действия окрашенных каротиноидов при окислительном стрессе. На фундаментальных исследованиях метаболизма бактерий основана биотехнология - получение ценных продуктов путем управляемой эксплуатации ферментативной активности микроорганизмов и клеточных культур. После разработки технологии рекомбинантных ДНК и создания генной инженерии в начале 1980-х гг. появилась возможность клонировать гены, помещенные под контроль сильных или индуцируемых бактериальных промоторов, что обеспечивает суперэкспрессию важных для фармакологии «эукариотных» белков (инсулина, интерферона и др.), а также «чужих» белков бактериального происхождения (стрептокиназы, пенициллиназы и др.).

Деградационная способность аэробных бактерий обеспечивает не только получение энергии из питательных субстратов, но и кометаболизм алифатических и ароматических молекул с помощью окислительных ферментов. Пионерские работы Р. Стениера и Р. Гунсалуса, выполненные в 1960-х гг., позволили выяснить механизмы биодеградации ксенобиотиков (нефтепродуктов, пестицидов и других поллютантов), а также изучить участие в этом процессе плазмид. Промышленная очистка воды с помощью бактериальных макроагрегатов, или «активного ила», была налажена в Манчестере еще в 1913 г. Эта технология продолжает повсеместно использоваться в настоящее время, и параллельно создаются методы, основанные на выделении специализированных штаммов, а также генетических манипуляциях с ними.

Концепция анаэробиоза, или «жизни без кислорода», была создана Л. Пастером в 1857-1877 гг. Удалив кислород из питательных сред, он получил в 1877 г. первую культуру анаэробной патогенной бактерии. В середине 1930-х гг. Р. Хангейт создал методику «вращающихся пробирок», которая до сих пор широко используется при выделении чистых культур анаэробов. В результате его исследований выяснилось, что анаэробы встречаются в пищеварительном тракте животных, илах, осадках и затопленных почвах, причем в этих нишах они составляют свыше 90% от общей численности бактерий.

Следующий этап изучения анаэробов был связан с именем X. Баркера, который получил культуры анаэробов, ферментирующих различные субстраты. В 1940-1950-х гг. он с помощью радиоизотопного метода доказал способность пропионовокислых бактерий к гетеротрофной фиксации углекислоты, а также пришел к основополагающему выводу о том, что ацетилкоэнзим может быть не только продуктом окисления пировиноградной кислоты, но и субстратом для синтеза оксалоацетата и цитрата. Процессы анаэробной очистки, в которой наряду с метаногенными археями важную роль играют целлюлолитиче-ские бактерии, кислотообразующие клостридии и гетеротрофные ацетогенные бактерии, были исследованы в 1970-х гг. Д. Зейкусом и С. Зиндером.

Фотосинтез у бактерий был обнаружен довольно поздно (оксигенные цианобактерии только в начале 1960-х гг. попали в число объектов бактериологии, до этого их рассматривали как «синезеленые водоросли»). До начала XX в. Ф. Кон, Э. Варминг, Э. Эсмарх, М. Перти, В. Цопф и С. Н. Виноградский дали первые описания пурпурных и одноклеточных зеленых бактерий.

Зависимость пурпурных бактерий от света впервые продемонстрировал в 1883-1888 гг. В. Энгельманн, открывший у них явление фотокинеза и фототаксиса (вместе с Виноградским он считал этих бактерий хемолитотрофами, поскольку был убежден, что фотосинтез всегда связан с выделением кислорода). Доказательство того, что пурпурные бактерии способны к аноксиген-ному фотосинтезу, было получено только в 1907-1919 гг. Г. Молишем и И. Будером. В 1960-1970-х гг. Н. Пфенниг разработал методы выделения и культивирования аноксигенных фототрофных бактерий.

Изучая метаболизм одноклеточных зеленых бактерий, Д. Арнон открыл в 1966 г. новый ферредоксинзависимый путь ассимиляции углекислоты («цикл Арнона»). Зеленые нитчатые бактерии были обнаружены только в 1974 г. Р. Кастенгольцем, после долгих исследований Г. Фукс (1992) доказал, что у них функционирует особый гидроксипропионатный путь ассимиляции углекислоты. Гелиобактерии, содержащие бактериохлорофилл «г», были обнаружены Г. Гестом и Д. Фавингером в 1983 г. Об открытии квазифототрофных бактерий, неспособных к анаэробному фотосинтетическому росту, сообщил в 1979 г. Ц. Шиба.

В 1952 г. Л. Дайзенс с помощью спектроскопических методов доказал существование реакционного центра - минимальной функциональной единицы фотосинтетического аппарата, а Д. Рид и Р. Клейтон в 1968 г. препаративно выделили реакционный центр пурпурной бактерии (в 1970 г. Д. Фейер определил его молекулярный состав). Крупным достижением стала пространственная реконструкция реакционных центров с помощью рентген-кристаллографии: в 1982 г. X. Михель определил строение реакционного центра второй фотосистемы, а данные, полученные в 1996 г. группой П. Фромме, позволили сделать это для реакционного центра первой фотосистемы.

В 1877 г. Т. Шлезинг и А. Мюнц обнаружили, что почвенные бактерии способны окислять аммиак до нитрата, а затем Р. Уоррингтон показал, что нитрификация идет в два этапа, и промежуточным продуктом является нитрит. Биоэнергетическое значение аноргоксидации было выяснено в 1886-1888 гг. Виноградским, который, изучая бесцветных серобактерий, открыл хемолитотрофию - способность ассимилировать энергию окисления неорганических веществ. Хемосинтез, или тип метаболизма, при котором хемоли-тотрофия сочетается с автотрофией, был открыт в 1890 г. им же на примере нитрифицирующих бактерий. Тионовые бактерии описал в 1904 г. М. Бейеринк. Л. Стрикленд обнаружил в 1931 г., что анаэробные сульфатредуцирующие бактерии способны использовать молекулярный водород (позднее выяснилось, что энергию окисления водорода могут также использовать аэробные бактерии). Примыкающие к ним аэробные карбоксидобактерии, которые используют окись углерода как источник энергии и конструктивного материала, были открыты в 1976 г. Г. А. Заварзиным, а анаэробные карбоксидобактерии—в 1983 г. Д. Зейкусом. В середине 1980-х гг. Г. Вуд изучил механизм авто-трофного синтеза ацетата у водородных клостридий, впоследствии названный «путем Вуда». Как сенсация было встречено открытие в 1995 г. ранее неизвестных типов хемолитотрофии. А. ван де Грааф обнаружил процесс

анаэробного окисления аммония, а Ф. Виддель - анаэробное окисление закисного железа.

Метилотрофные бактерии, использующие метан и другие одноуглерод-ные субстраты как источник энергии и углерода, были описаны Н. Зенгеном в 1906 г. Однако до 1970-х гг. данные об их широком распространении и важной роли в углеродном цикле отсутствовали, не были изучены физиологические свойства этих бактерий, а также их биоразнообразие. Во второй половине 1970-х гг. благодаря исследованиям Д. Квайла удалось реконструировать пути ассимиляции формальдегида метилотрофами -рибулезомонофосфатный («путь Квайла») и сериновый.

В конце XIX в. источником образования аммиака и сульфида считали гниение органических остатков. Приток абиогенного аммиака и сульфида сквозь толщу земной коры, а также их биосинтез из неорганических субстратов за счет диазотрофии и сульфатного дыхания тогда не учитывали. Поэтому Виноградский и его последователи считали хемосинтетиков вторичными продуцентами, а их развитие - результатом локальной деятельности деструкторов. Сейчас установлено, что хемосинтетики способны существовать за счет абиогенных восстановителей в геотермальных зонах на суше (Азоры, Гренландия, Камчатка и т.д.) или на океаническом дне.

Одним из главных достижений биологии конца XX в. стало открытие «второй» биосферы. При проведении глубоководных исследований в зонах взаимодействия тектонических плит были обнаружены гидротермальные источники, вокруг которых скапливаются популяции моллюсков и погонофор. Поскольку возможность первичной продукции за счет фотосинтеза на глубине свыше 2,5 км исключена, единственным трофическим ресурсом для этих животных мог быть только хемосинтез, основанный на окислении геотермального сульфида. 1980-х гг. X. Янаш установил, что популяции морских беспозвоночных живут вокруг гидротерм на глубине 1,5-3 км благодаря первичной продукции автотрофных эндоцитобионтов - бактерий, окисляющих серу. В начале 1990-х гг. К. Кевеноу открыл в местах природных газовых скважин аналогичные ассоциации двустворчатых моллюсков и других бентосных беспозвоночных, которые используют продукты биосинтеза эндоцитобиотических бактерий, окисляющих метан. Бедные по видовому составу экосистемы «второй» биосферы зависят только от ресурсов неорганических субстратов, являющихся источником и энергии, и конструктивного материала, в результате чего глубоководводные оазисы существуют автономно от остальной биосферы.

В 1866 г. М. С. Воронин (1838-1903) одним из первых нашел клубеньковые бактерии. Явление диазотрофии, или усвоения молекулярного азота, было открыто в 1885 г. Г. Гельригелем и Г. Вильфартом при изучении корневых клубеньков бобовых растений. М. Бейеринк установил, что способностью к диазотрофии обладают симбиотические клубеньковые бактерии. Первая свободно живущая анаэробная диазотрофная бактерия была выделена Виноградским в 1902 г. и в этом же году М. Бейеринк и А. ван Дельден открыли свободноживущих аэробных диазотрофов. Способность цианобактерий к диазотрофии продемонстрировал в 1942 г. Д. Фогг, а в 1950 г. Г. Гест впервые обнаружил это физиологическое свойство у пурпурных аноксигенных бактерий.

Палеомикробиология. До середины 1970-х гг. отсутствовала базовая концепция палеомикробиологии и, соответственно, не было методических подходов к изучению древних микроорганизмов. Сомнения в реальности ископаемых бактерий были преодолены общими усилиями специалистов по экологической микробиологии, геологии и химии. Материалом, на основе которого удалось воссоздать ранние этапы эволюции жизни, стали строматолиты и микрофоссилии. Строматолиты, или слоистые окаменелости, сформировались в результате минерализации микробных сообществ. Такие стратифицированные консорциумы называются микробными матами. Начиная с 1980-х гг., Д. Шопф, А. Нолл и другие ученые описали микрофоссилии в шлифах докембрийских осадочных пород возрастом 1,5-3,5 миллиардов лет (по морфологии они не отличаются от современных одноклеточных и нитчатых цианобактерий). Изучение микрофоссилии свидетельствует о том, что цианобактерии были широко распространены примерно 2 миллиарда лет тому назад.

 

3.4.3. Эволюция взглядов на биологическую природу бактерий

 

Еще с античных времен главным признаком растения считали пассивное «произрастание», или жизнь на постоянном месте при относительно быстром увеличении особи в размере. В свою очередь, главным признаком животного - порожденное изнутри действие при относительно медленном увеличении в размерах. Не удивительно, что А. ван Левенгук рассматривал бактерий как «зверьков». За низших животных их продолжали принимать до 1878 г., пока К. Негели не обнаружил у них в 1878 г. клеточные стенки, что позволило бактерий, называемых тогда «грибы-дробянки», переподчинить растительному царству.

Разработка классификации бактерий в те годы принадлежала Ф. Кону, который рассматривал бактерии как растения, находящиеся в близком родстве с сине-зелеными водорослями. Огромное влияние на развитие бактериальной систематики оказал метод получения чистых культур путем выращивания колоний на твердой среде, созданный в 1881 г. Р. Кохом. В 1884 г. Г. Грам предложил способ дифференциального окрашивания («реакция по Граму»), который стал одним из краеугольных камней классификации и диагностики бактерий. Однако критерии высших таксонов выбирались субъективно.

Благодаря достижениям генетики, биохимии и микроскопии наступил новый этап в развитии клеточной теории. В 1960-х гг. идея глобальной дихотомии была развита в трудах Р. Стениера; решающее значение имело предложение считать термины «прокариоты» и «бактерии» синонимами. Клеточные организмы он подразделил на два царства - ядерных (эукариотов) и прокариотов, т.е. прокариотная концепция позволила рассматривать бактерий как самостоятельный мегатаксон. Крушение дихотомической концепции пришло с эрой молекулярной палеонтологии. Новый подход к реконструкции филогении был разработан в начале 1970-х гг. К. Возом, который использовал методы, основанные на каталогизировании фрагментов рибосомальной РНК. В результате было установлено, что глобальное древо имеет тритомическую структуру (три ствола соответствуют филогенетическим мегатаксонам, или «доменам», - археям, бактериям и эукариотам). Прокариотные домены бактерий и архей, в свою очередь, состоят из ветвей, или «фил». Результаты опытов по секвенированию бактериальной рибосомальной РНК показали, что она имеет очень низкую гомологию (не более 10%) с РНК цитоплазматических рибосом эукариотов, однако высоко гомологична РНК митохондрий и хлоропластов, что стало фактическим доказательством эндосимбиотического происхождения этих органелл.

 

3.4.4. История открытия и изучения архей

 

Путь архей в биологию был короче, чем у бактерий, однако более тернистым. Это в значительной степени связано с тем, что интерес к археям не имел под собой утилитарной основы: они поздно стали использоваться на практике, и среди них не обнаружены патогены. Они характерны для экстремальных местообитаний, скрининг которых требует значительных затрат и технических средств. Кроме того, исследование биоразнообразия архей и их функционального строения стало возможным только с середины XX в., когда появились сложные физиолого-биохимические методы. До разработки молекулярных подходов к реконструкции глобальной филогении архей не имели самостоятельного мегаксономического статуса, а рассматривались как бактерии-экстремофилы и помещались в соответствующие бактериальные таксоны, обособленные по фенотипическим признакам. Хотя архей уступают бактериям по общему числу описанных видов (примерно 200 против примерно 5 тыс.), они эквивалентны бактериям по морфологическому разнообразию и спектру физиолого-биохимических свойств. Архей присутствуют почти во всех экологических нишах, которые занимают бактерии, однако среди них много экстремофилов, верхние пределы выживаемости которых недоступны бактериям. Сейчас архей подразделяют на экстремально галофильные, метаногенные, ацидофильные термоплазмы, гипертермофильные и барофильные.

Представители экстремально галофильные архей, растущие при концентрация соли свыше 250-300 г/л, были изучены гораздо раньше других. Для экстремальных ниш характерны бедный видовой состав и высокая плотность популяции доминирующих форм. Красные «цветения» экстремально галофильных архей наблюдаются в лежащих ниже уровня моря терминальных водоемах—Мертвом море, оз. Самбхар в Индии, соленых озерах Монголии и американских Великих соленых озерах. Галофильные архей известны как источники микробной порчи сильно просоленных мясных и рыбных продуктов или кожи. Впервые об их находке сообщил Г. Клебан в 1919 г. На основе данных, полученных в 1920-1940-х гг. Ф. Харрисоном, А. Лочхедом, Б. Волкани, К. Зобеллом и другими, эти микроорганизмы были охарактеризованы в морфофизиологическом плане и отнесены к семейству галобактерий. Классификация экстремальных галлофилов проводится в соответствии с клеточной формой (палочковидной, сферической и плеоморфной). В 1980 г.

А. Уолсби описал «квадратных» архей, обитающих и соленом водоеме на Синайском полуострове. В 1967 г. В. Стекениус выделил из галобактерий препарат «пурпурных» мембран, образованных бактериородопсином, который функционирует как светозависимая протонная помпа и обеспечивает у этих прокариотов адаптивный процесс квазифототрофии. Первые наблюдения образования метана в иле и на болоте были проведены А. Вольта в 1776 г. На рубеже Х1Х-ХХ вв. работами Н. Зенгена, В. Л. Омелянского и Ф. Хоппе-Зейлера биогенное происхождение метана стало окончательно установленным фактом. Посколько метаногенные археи очень разнообразны по своему внешнему строению, их вначале классифицировали как представителей различных морфологических групп бактерий. В 1936 г. X. Баркер высказал предположение, что метаногенные прокариоты восстанавливают углекислоту до метана, используя как донор электронов молекулярный водород и другие субстраты (например, окись углерода). В 1940 г. он подтвердил это с помощью радиоуглеродного анализа. А. Басвел и Ф. Солло установили в 1948 г., что метан может образовываться из метанола или метильной группы ацетата. В 1956 г. Баркер пришел к выводу, что главным таксономическим признаком этих микроорганизмов служит не морфология, а уникальная способность к образованию метана, и на данном основании отнес их к самостоятельному бактериальному семейству метанобактерий.

Несмотря на узкий круг используемых субстратов метаногены занимают разнообразные экологические ниши (осадки, илы, пресноводные и соленые водоемы, гидротермальные источники, геотермальные поля и др.). Кроме того, они могут существовать в эктосимбиозе с животными и растениями (внутри древесных стволов), атакже в эндосимбиозе с протестами. Р. Хангейт выделил в 1958 г. из коровьего рубца первый эктосимбиотический метаноген.

Большинство метаногенных архей - это мезофиллы, однако, среди них встречаются термофильные и даже гипертермофильные формы. К. Штет-тер изолировал в 1981 г. из почвы сольфатар на побережье Исландии термофила, максимальная температура роста которого составляет 97° С. Первый морской гипертермофильный метаноген, имеющий оптимум 85° С, был обнаружен X, Хубером в 1982 г. в подводных гидротермах у побережья Италии. Уникальный биохимический путь метаногенеза расшифровал Р. Вулф: начиная с 1960-х гг. им были идентифицированы кофакторы и ферменты, участвующие в автотрофном синтезе метана из углекислоты и водорода. В конце 1984 г. большой интерес вызвало сообщение П. Мюррея, X. Зиндера и Н. Бейли о способности некоторых метаногенов к диазотрофии.

Первый представитель архей-микоплазм, не имеющих ригидной стенки, был выделен в Г. Дэрлендом в 1970 г. Этот термоацидофильный микроорганизм (температурный оптимум 59°С, рН-оптимум 1-2) приурочен к своеобразной нише - отвалам угольных шахт; в 1982 г. появилось сообщение об аналогичных объектах, обитающих в термальных источниках.

После создания в 1977 г. концепции об археях интерес к их гипертермофильным и барофильным представителям сильно возрос. Непрерывно увеличивается число задокументированных видов, особенно среди гипертермофилов.

Местообитаниями гипертеромофилов, температурный оптимум которых составляет 80-100°С (они не размножаются ниже 60°С), служат гидротермальные, геотермальные и антропогенные высокотемпературные экосистемы. Первый представитель рода сульфолобус был изолирован Д. Браэрли из кислого термального источника на территории Йеллоустонского национального парка (США) в 1966 г. Разнообразные представители гипертермофильных серозависимых ацидофилов были выделены В. Циллигом и его сотрудниками из наземных и подводных термальных источников, грязевых вулканов и почв сольфатар в 1981-1983 гг. Особо плодотворными оказался скрининг гидротерм, осуществленный в начале 1980-х гг. К. Штеттером близ Неаполя. В итоге были описаны термобарофилы термодискус и пиродиктиум (оптимум роста 85 и 105° С). В 1997 г. К. Штеттер выделил из подводной гидротермальной системы типа «черного курильщика» нового представителя барофильных архей, оказавшегося чемпионом среди гипертермофилов. Этот микроорганизм, получивший название пиролобус, не способен расти при температуре ниже 90°С и имеет максимальную температуру роста 113°С, что является зарегистрированным пределом существования органической жизни.

 

3.4.5. Эволюция взглядов на биологическую природу архей

 

Поскольку археи сходны с бактериями по фенотипу, до разработки молекулярных подходов к анализу филогенетических взаимоотношений их рассматривали как единое целое с бактериями. Сомнения в том, что метаногены относятся к бактериям, появились в 1976 г., когда Р. Вулф, анализируя распространение коэнзима М, обнаружил, что он уникален для метаногенов (этот факт противоречил концепции А. Клюйвера о биохимическом единстве жизни). О. Кандлер выяснил в 1977 г., что метаногены имеют несвойственный бактериям состав клеточных стенок. Уникальной особенностью архей являются липиды, представляющие собой простые диэфиры глицерина и насыщенного изопреноидного спирта фитанола. Этот факт был установлен в результате исследований М. Кейтса, проведенных на галобактериях в 1965 г. задолго до создания концепции архей. Существование таких же липидов у гипертермофилов и метаногенов было доказано М. де Роза, Т. Ленгуорси и Т. Торнэбени в 1978 г.

Хотя в 1960-1970-х гг. принцип подразделения живых организмов на прокариотов и эукариотов считался неоспоримым, он был отвергнут группой Р. Воза, который использовал для реконструкции филогении семантические характеристики рибосомальной РНК. Когда данный критерий был примерен к экстремофильным галофилам, метаногенам и термоацидолфилам, которых ранее считали бактериями, выяснилось, что они одинаково дистанцированы на глобальном древе как от эукариотов, так и от «других» бактерий. Поэтому К. Воз пришел к выводу, что такие организмы не относятся к бактериям, а имеют самостоятельный статус «архебактерий» (позднее «архей»).

Главнейшие функциональные белки (факторы элонгации, РНК-полимераза, АТФ-азы и др.) архей отличаются от бактериальных. Анализ в конце 1990-х гг. геномов архей показал, что «операционные» (метаболические, регуляторные и транспортные) гены сходны с бактериальными, напротив, «информационные» гены, ответственные за процессы транскрипции и трансляции, проявляют сходство с соответствующими эукариотными генами, а 2/3 генов уникальны.

В конце XX в. изменились не только конкретные методы, но и концептуальные подходы, с помощью которых изучается биоразнообразие бактерий - идет «охота за нуклеотидными последовательностями», а традиционная «охота за микробами» отступает на второй план. Вместо выделения культур и комплексного анализа фенотипов проводится сравнение геномов, для чего используют образцы воды, почвы или другого субстрата, заселенного малочисленной популяцией фенотипически не охарактеризованных объектов. Следовые количества ДНК амплифицируются с помощью полимеразной цепной реакции, а затем секвенируют гены рибосомальной РНК. В результате выяснилось, что изучена лишь ничтожная часть природного разнообразия бактерий, и что существует гигантский разрыв между числом бактериальных видов, представленных коллекционными штаммами (примерно 5 тыс.), и прогнозируемым числом природных видов (примерно 5 млн.).

Литература

Громов Б. В., Павленко Г. В. Экология бактерий. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1989.

Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология. - М.: Изд-во МГУ, 1992.

Крайф П., де. Охотники за микробами. - М.: Молодая гвардия, 1957.

Заварзин Г. А., Колотилова Н. Н. Введение в природоведческую микробиологию, - М.:

Книжный дом «Университет», 2001.

Шлегелъ Г. Общая микробиология. - М.: Мир, 1987.

 

3.5. Клеточная биология

 

Хотя первые описания клетки были сделаны еще во второй половине XVII в., ее интенсивное изучение началось только через два столетия и было связано, в первую очередь, с созданием и развитием клеточной теории. Постепенно выяснилось, что клетка является необычайно сложной системой, в которой протекают все энергетические и биохимические процессы, составляющие основу жизнедеятельности организма. Клетка как основная структурная единица живого стала объектом всесторонних исследований целого семейства дисциплин, объединяемых сейчас в рамках клеточной биологии. А физиология клетки, изучающая протекающие в ней процессы, вошла в число стратегических направлений развития биологии второй половины XX в.

3.5.1. Клеточная теория и предпосылки ее формирования

Вплоть до начала XIX в. вопрос о структуре клеток и их месте в организме серьезно не рассматривался. Единственных исключением были исследования К. Ф. Вольфа, который в своем труде «Теория зарождения» (1759) рассмотрел возможные механизмы образования клеток. Он полагал, что молодые органы растений состоят из студневидной гомогенной массы, в которую

из более старых частей выпадают капли жидкого вещества, пограничный слой которого загустевает, образуя, таким образом, клетку. Если же капля движется в основном веществе, то она образует вытянутый сосуд. Таким образом, из гомогенного вещества постепенно образуется пузыристая структура растительной ткани.

Ученые XVIII в. были убеждены, что растительные клетки не имеют собственной оболочки, а являются просто полостями в растительной ткани, разделенными общими стенками. К началу XIX в. эта точка зрения начинает подвергаться сомнению и с целью прояснения этого спорного вопроса в 1804 г. Геттингенская академия объявила конкурс с денежной премией за его разрешение. Премию разделили Г. Линк (1764-1851) и К. Рудольфи (1771-1832), пришедшие к заключению об обособленности клеток и наличии у них собственных оболочек. Тот же вывод был сделан Л. X. Тревиранусом (1779-1837), который в своей работе «О внутреннем строении растений и движении в них соков» (1806) писал, что сосуды растений образованы клетками. Обособленность клеток была окончательно доказана в 1812 г. И. Мольденгауэром (1766-1824), которому с помощью метода мацерации удалось выделить отдельные клетки. Наиболее отчетливо новое представление о растительной клетке было сформулировано в обобщающей монографии Ф. Майена «Фитото-мия» (1830).

Пионерами в изучении животной клетки в начале XIX в. были французы. В 1801 г. М. Биша (1771-1802) ввел понятие о тканях животного организма, которым он приписывал значение элементарных структур. Примерно двадцать лет спустя несколько французских исследователей предложили свои теории микроскопического строения животных тканей. В 1823 г. А. Мильн-Эдвардс (1800-1885) описал в своей докторской диссертации однотипную структуру животных тканей, представленную мелкими шариками, которые он счел за особые органические молекулы. В 1824 г. вышли «Анатомические и физиологические исследования о тонком строении животных и растений» А. Дютроше (1776-1847), который также описывал в животных тканях мелкие мешочки. Он считал их элементарными структурами органов животных и даже в расплывчатой форме пытался сравнивать животную и растительную клетки. Подобные же попытки предпринимались и Ф. Распайлем (1794-1878), в работах которого, впрочем, как и у других исследователей того времени, было немало фантастического.

Несравненно более точными были наблюдения животных клеток, сделанные чешским ученым Я. Э. Пуркине (1787-1869) и его учениками, которые использовали новые исследовательские техники (просветляющие вещества, красители, переваривание тканей трипсином и т.д.). В 1830 г. Пуркине удалось описать на поверхности желтка куриного яйца «зародышевый пузырек»—ядро, а позднее ганглиозные нервные клетки и нервные волокна, клетки трубчатых желез дна желудка и сердечные волокна. Однако он остался верен прежним представлениям о клетке как о камере, внутри которой находится полость.

Другим крупнейшим центром систематических микроскопических исследований животного организма в то время была школа И. Мюллера (1801-1858) в Берлинском университете. Сам Мюллер также интересовался микроскопическими исследованиями. В частности, он открыл клеточную структуру в хорде круглоротых и указал на сходство клеток хорды с растительными клетками. Ряд интересных микроскопических исследований выполнили его ученики И. Ф. Мишлер и Я. Генле. Мишлер изучал развитие и структуру костей, а Генле продемонстрировал клеточное строение эпителия кишечника и слизистых дыхательных путей. Однако наибольшую известность получил другой ученик Мюллера - Т. Шванн (1810-1882), которому принадлежит заслуга формулирования клеточной теории.

Ее основные положения Шванн впервые изложил в трех сообщениях, вышедших в 1838 г. и после переработки изданных в виде книги «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» (1839). Важным импульсом для формулирования его теории послужили работы М. Шлейдена (1804-1881), которого иногда ошибочно называют соавтором клеточной теории. В 1838 г. Шлейден опубликовал работу «Материалы к развитию растений», в которой изложил теорию цитогенеза, ставившую своей целью объяснение механизма образования новых клеток. Он полагал, что клеточное ядро («цитобласт» по его терминологии) является «органом», ответственным за образование новых клеток. Образование клеток, по его мнению, выглядело следующим образом: в «камеди», содержимом клетки, образуются мелкие слизевые зернышки, из которых потом формируются более крупные ядрышки; вокруг таких ядрышек путем коагуляции зернистого материала формируется цитобласт. Он растет и как только достигает предельной величины, вокруг него собирается студенистая прозрачная масса, которая, в свою очередь, растет, уплотняется и покрывается оболочкой. В такой сформировавшейся клетке цитобласт оказывается небольшим телом, прилегающим к клеточной оболочке, и впоследствии резорбируется или выталкивается внутрь новой клетки. Таким образом, по Шлейдену, новая клетка образуется внутри старой клетки. Дальнейшую судьбу материнской клетки он не рассматривал.

Как вспоминал позднее сам Шванн, частный разговор со Шлейденом, в котором тот изложил ему свои представления о роли ядра в размножении клеток, навел его на мысль, что ядро животной клетки (которое он лично наблюдал в клетках хорды) может играть такую же роль как и ядро растительной клетки, что было бы свидетельством в пользу гомологии растительных и животных клеток. Попыткой доказать эту гомологию и стали его «Микроскопические исследования». В третьей части этого труда были сформулированы основные положения клеточной теории: 1) клетка является общим структурным элементом для растительного и животного царств; 2) единство животных и растительных клеток является следствием единства их генезиса—возникновения в ходе процесса клеткообразования; 3) клетки до определенной степени автономны, жизнедеятельность целого организма является совокупностью жизнедеятельности отдельных клеток. Шванн также модифицировал теорию

Шлейдена, предположив, что новые клетки образуются из особой субстанции – цитобластемы - которая может находиться не только внутри клеток, но между ними в виде межклеточного вещества.

Хотя доказательства, приведенные Шванном очень скоро устарели, выдвинутый им принцип единства элементарной структуры животных и растительний оказался верным.

 

3.5.2. Дальнейшее развитие клеточной теории

 

Одним из логических следствий клеточной теории было разделение всех организмов на одноклеточные и многоклеточные. Однако такая точка зрения утвердилась только к 1850-м гг., на протяжении же 1840-х гг. вопрос о клеточной природе микроскопических организмов был предметом горячей дискуссии. Она касалась, главным образом, зоопротистов, поскольку существование одноклеточных растений и грибов были признано еще в первой четверти XIX в., а в 1843 г. М. Барри применил понятие клетки к жгутиконосцам. Природа же микроскопических животных, объединенных в одну большую разнородную группу «инфузорий», оставалась неясной.

На эту проблему существовали две противоположные точки зрения. Согласно одной из них (лидером этого направления был X. Г. Эренберг (1795-1876), «инфузории» являются сложными животными и имеют все свойственные другим животным органы. В своем труде «Наливочные животные как совершенные организмы» (1838) он дал систематическое описание пресноводной микроскопической флоры и фауны, причем кроме собственно протестов захватил и плоских червей, моллюсков, ракообразных, личинки насекомых, коловраток и т.д. Отсюда вытекали и ошибки в интерпретации его наблюдений: не отделяя протестов от многоклеточных, он, по аналогии, с последними, приписывал им слишком сложное строение, например, искал у инфузорий мышцы, кровеносные сосуды и кишечник, которые нашел у ракообразных.

Представители другого направления, возглавлявшегося Ф. Дюжарденом (1801-1860), считали, что «инфузории» имеют простую природу. Дюжарден полагал, что они представляют собой только комочки слизистого вещества - «саркоды» и лишены каких-либо органов. В 1841 г. он выпустил книгу «Естественная история зоофитов, инфузорий, содержащая физиологию и классификацию этих животных и способ их изучения с помощью микроскопа», в которой дал очень точное описание многих свободноживущих протестов.

Работы Дюжардена более всего способствовали признанию одноклеточной природы простейших и выделению их в отдельную систематическую группу. Это было сделано К. Зибольдом, который в своей книге «Учебник сравнительной анатомии беспозвоночных животных» (1848), разделил всех беспозвоночных на пять главных групп, одной из которых были Protozoa - «животные, у которых нет четкого обособления различных систем органов, их неправильная форма и простая организация может быть сведена к одной клетке». Однако окончательно одноклеточная природа протестов была признана только к концу 1860-началу 1870-х гг., главным образом благодаря работам М. Шульце, Р. А. Келликера и Ф. Штейна.

Следующий этап в развитии сформулированной Т. Шванном клеточной теории был тесно связан с именем Р. Вирхова (1821-1902), еще одного ученика И. Мюллера. В 1855 г. он публикует статью под названием «Целлюлярная патология», в которой, во-первых, выдвигает положение, что всякое болезненное изменение в организме связано с патологическим процессом в клетках, а во-вторых, высказывается против теории цитобластемы и провозглашает принцип «omnis cellula e cellula» - «всякая клетка из клетки». Дальнейшее развитие эти положения получают в его ставшей знаменитой книге «Целлюлярная патология, основанная на физиологическом и патологическом учении о тканях» (1858).

Вирхов не был ни первым исследователем, наблюдавшим деление клетки, ни первым критиком теории цитобластемы. Впервые деление клеток наблюдал, по-видимому, в 1832 г. Б. Дюмортье, изучавший развитие нитчатых водорослей, а в 1835 г. такие же наблюдения и на том же объекте сделал Г. фон Моль. В 1840-х гг. благодаря работам Ф. Унгера и К. Негели теория цитобластемы была окончательно отвергнута в ботанике и здесь утвердилось представление о том, что новообразование клеток происходит, как правило, путем деления. Чуть позднее такие же представления были распространены и на животную клетку. Однако именно Вирхов способствовал признанию деления клеток единственным способом их размножения и благодаря его работам теория цитобластемы была окончательно отвергнута. Он особо подчеркивал, что клетка является последним структурным элементом всех организмов и что вне ее нет жизнедеятельности. Еще одной его заслугой является то, что он способствовал распространению клеточного учения на новую область—патологию, благодаря чему оно проникает в медицину и становится теоретической базой для понимания болезненных явлений. До того в медицине господствовала гуморальная теория К. Рокитанского, объяснявшая болезни «порчей соков». Кроме того, его «Целлюлярная патология» отражает важные изменения во взглядах на клетку: если раньше под клеткой понималась прежде всего стенка, окружающая некоторое пространство, а «содержимому» клетки придавалось второстепенное значение, то Вирхов привлекает внимание именно к «содержимому», и прежде всего ядру, которое он считал центром жизнедеятельности клетки.

Интерпретация организма как совокупности клеток, каждая из которых обладает автономной жизнью, намечавшаяся у Шванна и резко усиленная Вирховым, получила окончательное развитие у М. Ферворна (1863-1921). В 1895 г. он опубликовал труд «Общая физиология», в котором клетке отведено центральное место. Ферворн полагал, что, поскольку клетка является структурной основой живого организма, то и физиология живого организма сводится к физиологии составляющих его клеток, и таким образом, общая физиология—это клеточная физиология. Сам же организм он рассматривал как «клеточное государство», в котором клетки вступают в отношения подобные отношениям индивидов в настоящем государстве. Так, устройство растений он сравнивает с республикой, а животных—с монархией и в некоторых случаях с деспотией. Ферворн даже предлагал использовать опыт взаимоотношения клеток в организме для большей гармонизации человеческих взаимоотношений.

 

3.5.3. Изучение деления ядра и оплодотворения

 

Впервые клеточное ядро в эритроцитах рыб видел еще А. ван Левенгук, а в XVIII в. его описывали Ф. Фонтана (1781), Каволини (1787) и Поли (1791). Эти наблюдения, однако, прошли незамеченными. Объектом целенаправленного исследования ядро становится только с 1830-х гг., когда его описали Я. Э. Пуркине в куриной яйцеклетке под названием зародышевого пузырька (1830), а Р. Броун (1773-1858) в эпидермисе орхидей. Броун высказал предположение, что это образование, названное им «гшс1еш» (ядро), является обязательным компонентом клетки. Однако вплоть до середины 1870-х гг. судьба ядра во время деления клетки оставалась неизвестной. Господствовала точка зрения, согласно которой ядро перед делением просто растворяется. Для обозначения этого процесса Л. Ауэрбахом в 1874 г. был даже предложен термин «кариолизис». Тем не менее, на протяжении 1850-первой половины 1870-х гг. многие исследователи делали наблюдения, свидетельствовавшие о том, что оно не просто исчезает. Так, в 1850 г. Н. А. Варнек (1821-1876), наблюдая дробление яиц прудовика и одного из наземных слизней, обнаружил, что зародышевый пузырек (ядро) после оплодотворения теряет ясные контуры, однако полностью не исчезает, образуя светлую зону, которая потом делится путем перетяжки с образованием двух светлых шаров. В. Гофмейстер (1824-1877) в своих работах 1849 и 1867 гг. приводил рисунки метафазы и анафазы, приписывая, однако, возникновение этих фигур коагуляции белка. Изображение ряда фаз митотического деления дал И. Д. Чистяков (1843-1877), изучавший развитие спор у плауна и хвоща. В 1873 г. появилась работа Ф. Шней-дера (1831-1890) с первым последовательным описанием митоза при дроблении яйца плоского червя. Эта работа, однако, осталась незамеченной.

Перелом в изучении деления ядра наступает во второй половине 1870-х гг., когда за короткое время все стадии непрямого деления ядра были подробно описаны. В 1875 г. Э. Страсбургер (1844-1912) публикует монографию «О клеткообразовании и клеточном делении», в которой дает более или менее полное описание деления клеток и демонстрирует, что в ходе кариокинеза происходит не исчезновение ядра, а его сложная перестройка. Эта книга послужила своеобразным катализатором исследований деления ядра. Особую роль в описании непрямого деления клетки сыграл немецкий ученый В. Флемминг (1843-1905), который, изучая кариокинез в клетках кожи саламандры, описал всю последовательность процесса деления, разделив его на девять фаз (1879). В 1882 г. вышла его книга «Клеточная субстанция, ядро и клеточное деление», в которой были сведены воедино все данные о делении клетки, доступные к тому моменту. Он сформулировал представления о прямом и непрямом делении - амитозе и митозе - и предложил соответствующие термины, а также обозначил весь процесс непрямого деления клетки термином «кариокинез», предложенным в 1879 г. В. Шлейхером и употреблявшимся последним в несколько ином смысле. Названия фаз деления были предложены в 1884 г. Э. Страсбургером (за исключением термина «телофаза», введенного М. Гейденгайном), атермин «хромосома» - в 1888 г. В. Вальдейером.

В последующие годы благодаря работам целой плеяды ученых (В. Флем-минг, К. Рабль, Ф. Германн, Г. Фоль, К. Костанецкий и др.) были выяснены многочисленные детали деления соматических и половых клеток. Прогрессу в этой области цитология обязана Э. ван Бенедену (1809-1894), который нашел удачный объект для изучения кариокинеза - яйца лошадиной аскариды, отличавшиеся крупным размером и малым числом хромосом. Большой интерес в это время привлекло явление продольного расщепления хромосом и расхождения половин к разным полюсам клетки, а также вопрос о постоянстве их числа. Его объяснение было дано в 1883 г. В. Ру (1850-1924), который предположил, что хромосомы построены из зернышек, которые между собой качественно различны. В покоящемся ядре они разбросаны в беспорядке, а при митозе объединяются в нить, состоящую из разнокачественных гранул. Отсюда смысл продольного расщепления (и в конечном итоге всего митоза) заключается в том, чтобы обеспечить правильное и равномерное разделение ядерного вещества на две равные и идентичные половины. Из этой гипотезы следовало, что число хромосом в клетке должно быть постоянным. Впервые это положение, получившее название закона постоянства числа хромосом, в ясном виде сформулировал К. Рабль (1885). Другим важным обобщением стал закон индивидуальности хромосом, обоснованный Т. Бовери (1861-1915) и ставший основой для формирования цитологической теории наследственности.

Одновременно с изучением деления ядра получает разрешение и проблема оплодотворения. Изучая оплодотворение у морских ежей, О. Герт-виг (1849-1922) установил, что его сущность заключается в слиянии ядер яйцеклетки и сперматозоида. Это положение было обоснованно в серии его работ под общим названием «Материалы к познанию образования, оплодотворения и деления животных яиц» (1875-1878). В дальнейшее изучение процесса оплодотворения у животных существенный вклад внесли Г. Фоль (1877) и Э. ван Бенеден (1883).

Применение теории оплодотворения О. Гертвига к растениям столкнулось с рядом трудностей. Э. Страсбургер, исследуя оплодотворение у хвойных, выдвинул теорию диффузного оплодотворения, согласно которой мужские ядра при прохождении через пыльцевую трубку не сохраняют целостности, а проникают в яйцеклетку в распыленном состоянии. Эта точка зрения была опровергнута в 1880 г. И. Н. Горожанкиным (1848-1904), который показал, что мужское ядро при оплодотворении сохраняет целостность (1880). Основы современного учения об оплодотворении у цветковых растений были заложены работами С. Г. Навашина (1857-1930), который описал процесс двойного оплодотворения (1898).

Блестящие открытия в области изучения кариокинеза и оплодотворения привели к тому, что к ядру было привлечено повышенное внимание исследователей. Практически одновременно В. Ру (1883), Э. Страсбургер (1884), О. Гертвиг (1884) высказали идею о том, что именно оно является носителем наследственных свойств. Эта идея получила дальнейшее развитие в связи с теориями интрацеллюлярного пангенезиса Г. де Фриза (1889) и зародышевой плазмы А. Вейсмана (1885-1892), в которых ядру отводилась роль

вместилища «наследственного вещества». Своеобразным итогом изучения кариокинеза, оплодотворения и наследственных свойств ядра в XIX в. стала книга американского цитолога Э. Вильсона «Клетка в развитии и наследственности».

 

3.5.4. Изучение протоплазмы

 

Студенистое содержимое клетки эпизодически наблюдали многие ученые, в частности, Ф. Мейен (1830), Ф. Дюжарден (1835), М. Шлейден (1838). Термин «протоплазма», который для его обозначения предложил в 1839 г. Я. Пуркине, поначалу не получил распространения и был снова введен в обращение Г. Молем в 1846 г. для обозначения содержимого растительных клеток. В 1850 г. Ф. Кон показал тождественность «саркоды» животных и протоплазмы растений. Прогресс в изучении протоплазмы (здесь следует особо отметить работы А. де Бари, В. Кюне, Ф. Лейдига) привел к изменению оценки ее роли в жизнедеятельности клетки и к изменению понимания сущности самой клетки. Как уже говорилось, раньше клеткой считали клеточную оболочку, а ее содержимому отводилась второстепенная роль. В 1861 г. в работе «О мышечных тельцах и о том, что называют клеткой» М. Шульце дает новое определение клетки как комочка протоплазмы с лежащим внутри его ядром.

Появление первых теорий, объясняющих строение протоплазмы, относится к 1860-м гг. В 1861 г. Э. Брюкке выступил со статьей «Элементарные организмы», в которой выразил мысль, что видимая простота клетки—кажущаяся; двумя годами позднее он описал ячеистое строение протоплазмы животных клеток.

Ю. Гейцман, исходя из своих наблюдений над амебами и белыми кровяными тельцами человека, описал сетчатое строение протоплазмы (1873). Он полагал, что протоплазма состоит из плотной субстанции, имеющей форму сетки и зернышек и способной к сокращению, и неживой жидкой субстанции. Взгляд на протоплазму как комбинацию двух компонентов (плотного и жидкого) придерживался и ряд других ученых, в частности, К. Купфер (1875) и К. Фромман (1880). Оригинальную трактовку строения протоплазмы, принадлежащую к этой же парадигме, известную как филярная (нитчатая) теория, дал В. Флемминг (1882). Он полагал, что тело клетки состоит из гомогенной массы и множества пронизывающих ее нитей. Принципиально иную модель строения протоплазмы предложил О. Бючли (1892). Протоплазме он приписывал пенисто-ячеистую структуру. Он полагал, что протоплазма является эмульсией двух жидкостей с различным коэффициентом преломления. Более вязкая и более светопреломляющая жидкость (гиалоплазма) образует стенки ячеек, а сами ячейки заполнены энхилемой - менее вязкой жидкостью. В последнее десятилетие Х1Х-начале XX вв. теория Бючли пользовалась большой известностью.

Особняком от всех вышеперечисленных теорий стояла теория биобластов, сформулированная Р. Альтманом (1890). Пользуясь особыми методами окраски, он показал наличие в клетках различных тканей специфической зернистости, причем эти гранулы мало варьировали по размеру. Альтман предположил, что клетка состоит из множества мелких гранул, названных биобластами, которые он считал «элементарными организмами», способными к размножению. Сами биобласты Альтман считал кристаллическими органическими структурами, которые, однако, возникают не в результате «высаждения», а только путем размножения уже существующего кристалла. Позднее биобласты Альтмана были отождествлены с митохондриями.

 

3.5.5. Разработка новых методов цитологического исследования в XX в.

 

Основным методом изучения клетки в XIX в. было изучение фиксированных и окрашенных препаратов. Это позволило описать в клетке ряд органоидов и структур: аппарат Гольджи, митохондрии, клеточный центр, но не позволяло изучать функции клетки. При этом всегда оставалась опасность артефактов. Одним из выходов из этого положения стало исследование живых клеток, культивируемых in vitro. Пионером в разработке этого метода стал Р. Гаррисон, наблюдавший в 1907 г. переживание и рост клеток зачатка нервной системы лягушки в капле лимфы. Впоследствии он был значительно усовершенствован, а в 1950-х гг. в практику был введен метод культивирования тканей на жидких питательных средах. Большое влияние на прогресс в исследовании живой клетки оказала разработка новых методов микроскопии. Изобретение в 1910 г. Г. Зидентопфом кардиоид-конденсора сделало возможным использование темнопольной микроскопии, двумя годами раньше он же в сотрудничестве с А. Келлером сконструировал люминесцентный микроскоп. Важным направлением люминесцентной микроскопии стало использование флуоресцирующих антител (этот метод был предложен в 1941-1942 гг. А. Кунсом с соавт.), в 1940-1950 гг. получила распространение фазово-контрастная микроскопия. В самом начале XX в. одновременно С. Схоуте-ном в Нидерландах и М. Мак-Клендоном и М. Барбером в США был изобретен микроманипулятор и микрохирургия становится важнейшим прижизненным методом изучения клетки.

Одновременно усовершенствовались и методы исследования клетки фиксированной. Использование методов избирательной окраски позволило локализовать в клетке ряд химических веществ и процессов, например, Р. Фе-льген открыл специфическую реакцию на ДНК (1924), Ж. Браше - на РНК (1940). В некоторых случаях цитохимические методы позволяют изучать процессы и в живой клетке. В 1930-х гг. в практику исследований вошло дифференциальное центрифугирование, дающее возможность разделить входящие в состав клетки органоиды. Впервые оно было использовано К. Бенсли и Н. Херром. В 1940 г. Т. Касперсон разработал метод количественного учета веществ по поглощению изучаемым объектов ультрафиолетовых волн определенной длины. Большое распространение получило использование для изучения клеточного метаболизма радиоактивных изотопов (Г. Хевеши, 1950; Дж. Бойд, 1957). Наконец, революцию в изучении клетки совершило изобретение в 1930-х гг. электронного микроскопа. Эта заслуга принадлежит главным образом немецким физикам (Ф. Вольф, М. Кнолль, Э. Руска, Э. Брюхе, Г. Иохансон).

 

3.5.6. Основные направления развития биологии клетки в XX в.

 

Одним из новых направлений науки о клетке в XX в. стала цитология наследственности, получившая развитие после переоткрытия в 1900 г. законов Менделя и сыгравшая в развитии генетики особую роль. Благодаря цитологическим данным удалось «материализовать» носители наследственных свойств и отождествить их с хромосомами (см. 3.3). И хотя идеи о связи наследственности с хромосомами рассматривались многими ведущими биологами (например, В. Иоганнсеном, Э. Бауром, У. Бэтсоном) как преждевременные, эта точка зрения получила первые экспериментальные подтверждения уже вскоре после 1900 г.

В серии экспериментов на яйцах морских ежей, оплодотворяемых двумя спермиями, Т. Бовери показал, что нарушение развития связано с ненормальным распределением хромосом - с возникновением при дроблении многополюсных митозов (1902-1907). Рядом ученых были получены данные о существовании особых «половых» хромосом, имеющих отношение к определению пола (Монтгомери, 1901; Мак-Кланг, 1901,1902; Вильсон, 1905; Стивене, 1905). В 1902 г. У. Сэттон, поддержанный У. Кенноном, высказал идею о том, что менделевские закономерности могут объясняться закономерностями поведения хромосом во время оплодотворения и редукционного деления.

В 1910 г. к работе в области генетики приступил Т. Морган, который в сотрудничестве со своими учениками А. Стертевантом, К. Бриджесом и Г. Мёллером сформулировал хромосомную теорию наследственности, согласно которой носители наследственности (гены) линейно расположены в пределах хромосомы и этим объясняются явления сцепления и кроссинговера между генами. Цитологический механизм кроссинговера Морган видел в процессах «хиазматипии» (перекреста хромосом), описанных в 1909 г. Ф. Янсенсом. Окончательное признание хромосомная теория наследственности получила к 1930-м гг.

Другой активно развивавшейся в начале XX в. областью цитологии было физико-химическое изучение живой клетки и, в первую очередь, изучение физико-химических свойств протоплазмы. Протоплазма в этот период рассматривалась как коллоидная система, способная быть структурированной или бесструктурной в зависимости от своего физиологического состояния. Были получены подробные данные о ее основных физических свойствах -  вязкости, эластичности, электрическом заряде, поверхностном натяжении, концентрации водородных ионов, чувствительности к различным воздействиям и т. д. Эти данные были отражены в ряде итоговых сводок как, например, «Физическая химия клетки и тканей» Р. Гебера (1911), «Коллоидная химия протоплазмы» Л. Гейлбрунна (1929), «Проблема проницаемости» Е. Гельхорна (1929), «Протоплазма» В. Зейфрица (1936) и др.

Начиная с 1920-х гг. особое внимание привлекала проблема проницаемости клетки. Э. Пфеффер и Г. де Фриз положили в конце XIX в. начало клеточной теории проницаемости, в рамках которой обменные процессы клетки связывались с наличием полупроницаемой мембраны. В защиту этой теории выступил Е. Овертон (1895, 1899, 1902), выдвинувший на основе косвенных данных гипотезу о липидном строении этой мембраны. Когда стали накапливаться противоречащие ей данные, А. Натансон предложил мозаичную модель строения мембраны (1904). В 1908-1913 гг. В. Руланд развил теорию ультрафильтра, согласно которой в полупроницаемой мембране есть поры определенного диаметра, через которые могут проникать лишь молекулы соответствующих размеров. Однако эта теория не объясняла, например, почему проницаемость многих растительных клеток растет для веществ одного гомологического ряда по мере увеличения в них числа атомов углерода. В 1933 г. Р. Колландер и Г. Берлюид предложили комбинацию липидной теории и теории ультрафильтра, которая в 1930-1940-х гг. получила поддержку многих ученых.

Однако и модифицированная мембранная теория оказалась не в состоянии объяснить ряд явлений, в частности, стационарное распределение веществ в клетке, качественно отличное от состояния простого водного раствора. Наиболее обоснованные возражения против чисто мембранной теории проницаемости были сформулированы в 1930-х гг. Д. Н. Насоновым и В. Я. Александровым и позднее А. С. Трошиным (1956). Они предложили сорбционную теорию проницаемости, согласно которой решающая роль в распределении веществ, проникающих в клетку, принадлежит сорбционным отношениям, устанавливающимся между протоплазмой клетки в целом и окружающей средой.

Начиная с 1950-х гг. было показано, что в клетке существуют механизмы активного переноса различных веществ через клеточную мембрану. Это касается как ионов, так и крупных молекул. Детальное описание ионных механизмов, участвующих передаче нервного импульса было отмечено Нобелевской премией в 1963 г. (Дж. Эклс, А. Ходжкин, Э. Хаксли). Кроме того, были более тщательно изучены такие явления как фагоцитоз и пиноцитоз; многолетними исследованиями А. М. Уголева (1926-1991) было доказано существование мембранного пищеварения.

В рамках цитохимии, получившей активное развитие начиная с 1930-х гг., шло изучение химической природы клеточных структур клетки, продуктов ее жизнедеятельности, а также проводилась работа по расшифровке протекающих в ней биохимических процессов (см. гл. 3.2). Своими корнями цитохимия уходит еще в тридцатые годы XIX века - йод как реактив для обнаружения в растительной клетке крахмала использовал уже Ф. Распайль. Ее успехи были связаны, прежде всего, с изучением химии нуклеиновых кислот. В 1924 г. Р. Фельген предложил специфическую реакцию на ДНК (тимонуклеиновую кислоту по тогдашней терминологии) и продемонстрировал возможность ее обнаружения не только in vito , но и на гистологических препаратах. Поначалу считалось, что тимонуклеиновая кислота содержится только в ядрах животных клеток, но позднее было показано ее наличие и в растительных клетках. Изучение же пентозонуклеиновой кислоты – РНК - началось только в 1940-х гг. после того как Ж. Браше разработал метод обнаружения РНК путем обработки препаратов рибонуклеазой с последующей

окраской смесью Унна. Исследование, проведенное Ж. Браше совместно с Т. Касперсоном показало, что РНК локализована в ядрышках и цитоплазме животных и растительных клеток.

Одной из интересных цитохимических работ (имеющей отношение, как потом оказалось, к химии нуклеиновых кислот) была работа Б. В. Кедровско-го по «кислым анаболитам» (1934, 1937). Изучая витальное окрашивание клеток головастиков нейтральным красным, он установил наличие в клетке базофильной субстанции («кислых анаболитов»), участвующих в синтезе белка. В дальнейшем он охарактеризовал эту субстанцию как РНК. Работа Кедровского, однако, была оценена только позднее.

Важнейшим направлением клеточной биологии стали исследования клеточных органоидов и ультраструктуры клетки. Первые клеточные органоиды - клеточный центр, митохондрии и аппарат Гольджи - были открыты еще в XIX в. Клеточный центр впервые был описан под названием полярного тельца Э. ван Бенеденом в 1876 г. в клетках зародышей Dicyemidae, а позднее в яйцах лошадиной аскариды (Э. ван Бенеден, Т. Бовери) и в клетках морского ежаиличинок саламандры (В. Флемминг). Благодаря работам этих ученых, а также М. Гейденгайна и Э. Вильсона было показано, что клеточный центр состоит из одного-двух телец, названных Бовери центриолями (1895), которые окружены сферическим слоем менее хромофильной протоплазмы (называемой разными авторами сферой притяжения (ван Бенеден, 1887), центросомой (Бовери, 1888), центросферой (Страсбургер, 1893). Цикл развития клеточного центра и преемственность этого органоида в ряду клеточных поколений была продемонстрирована Бовери и ван Бенеденом, при этом оба автора считали, что образующиеся в начале митоза клеточные центры имеют отношение к образованию веретена деления. Тонкое строение клеточного центра было описано в 1950-1960-х гг. с помощью электронной микроскопии.

Органоиды, ныне известные как митохондрии, неоднократно описывались под разными именами, как то: биобласты (Альтман, 1890), митохондрии (Бенда, 1898), хондриосомы (Бенда, 1904). Одной из интересных ранних теорий относительно функций митохондрий была пластосомная теория эмбрионального дифференцирования Ф. Мевеса (1918), согласно которой митохондрии влияют на дифференцировку клеток, при этом они никогда не образуются заново, а только путем деления уже существующих. Первые гипотезы об их связи с метаболизмом клетки были высказаны еще в 1910-х гг. (Кингсбери, 1912; Майер с соавторами, 1914), однако подтверждающее это экспериментальные данные появились только во второй половине 1920-х гг. В 1913 г. О. Вар-бург (1883-1970) предположил, что в митохондриях присутствуют частицы, необходимые для аэробного дыхания. Впоследствии он выделил ряд ферментов и коферментов, ускоряющих процессы окисления глюкозы в митохондриях (эта работа в 1931 г. была отмечена Нобелевской премией). В 1934 г. К. Бенсли и Н. Херру впервые удалось выделить митохондрии из клеток печени, что дало возможность исследовать их биохимическими методами. Окончательное доказательство того, что митохондрии действительно являются центрами клеточного дыхания, было получено в 1948 г. Хогебумом с сотрудниками.

Аппарат Гольджи был описан в 1898 г. итальянским гистологом К. Голь-джи (1844-1926) при импрегнации нейронов нитратом серебра (в 1906 г. совместно с С. Рамоном-и-Кахалом он получил Нобелевскую премию за описание структуры нервной системы). Сравнительное изучение этого органоида на различных объектах показало его широкое распространение и полиморфизм у различных групп животных. Большую роль в этом сыграли работы Д. Н. Насонова (1895-1957), который предположил, что функцией аппарата Гольджи является накопление различных экскреторных продуктов, синтезированных вне его. Эта точка зрения выдержала испытание временем.

Открытие других органоидов клетки было связано с усовершенствованием методов исследования, в частности, электронно-микроскопических и биохимических. В 1945 г. К. Портер, А. Клод и Э. Фуллмен, изучая с помощью электронного микроскопа фибробласты цыплят, открыли в них систему вакуолей и каналов, позднее названную эндоплазматическим ретикулумом. Структура этого образования была изучена в 1950-х гг. Дж. Палад, исследуя рибосомы и комплекс Гольджи, показал, что рибосомы отвечают за синтез белка. Применение дифференциального центрифугирования в градиенте плотности позволило К. де Дюву в 1955 г. идентифицировать новые внутриклеточные частицы—лизосомы и перексисомы. Впоследствии существование лизосом было подтверждено с помощью электронного микроскопа. За открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки, А. Клод, К. де Дюв и Дж. Палад получили в 1974 г. Нобелевскую премию.

С середины XX в. прогресс в развитии биохимии, генетики, микробиологии и вирусологии открыл возможности для изучения жизнедеятельности клетки на молекулярном уровне и привел к выделению нового научного направления—физико-химической биологии, в рамках которой исследовалась структура белка, механизмы репликации, транскрипции и трансляции генетической информации, энергетических процессов и т. д., речь о которых шла в предшествующих главах (3.2, 3.3, 3.4.). К прежним «ипостасям» клетки как структурной единице многоклеточного организма, исходной единице его развития, носителя наследственной информации добавляются все новые представления о клетке как интегрирующей единице энергетических и химических биотехнологий в смысле А. М. Уголева (1985). В настоящее время клеточная биология—одна из наиболее динамично развивающихся отраслей биологии.

 

Литература

Кацнелъсон 3. С. Сто лет учения о клетке. История клеточной теории. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1939.

Кацнелъсон 3. С. Клеточная теория в ее историческом развитии. - М.-Л.: Госмедиздат, 1963.

Вермелъ Е. М. История учения о клетке. - М.: Наука, 1970.

Музрукова Е. Б. Роль цитологии в формировании и развитии общебиологических проблем. - М.: Наука, 1988.

 

3.6. От эволюционно-сравнительной эмбриологии

к биологии развития

 

В эмбриологии сфокусированы многие проблемы, определяющие состояние современной биологии. С исследованиями индивидуального развития связано внедрение в морфологические дисциплины, традиционно развивавшиеся в русле описательного направления, экспериментального метода. Экспериментальная эмбриология конца ХIХ-начала XX вв. представляла собой первую форму интеграции биологического знания (цитологии и эмбриологии), необходимого для понимании комплексной проблемы индивидуального развития. Сейчас эти дисциплины вместе с генетикой, биохимией, молекулярной биологией и клеточной физиологией входят в биологию развития. Ее объектом исследования являются процессы, разворачивающиеся на трех уровнях организации живого: молекулярно-генетическом, клеточном и организменном. Эмбриология - одна их первых отраслей биологии, где построение математических моделей и эксперимент оказались тесно связанными.

 

3.6.1. Сравнительно-эволюционная эмбриология

 

Впервые вопрос о расширении методов исследований для понимания причин эмбрионального развития был поднят еще К. Ф. Вольфом, которого не удовлетворяли традиционные наблюдения над «насиженными яйцами». Он отмечал, что у его предшественники не ограничивались лишь описанием индивидуального развития, в то время как акцент следовало бы сделать на изучении его причин, чтобы понять, как из жидких смесей, какими представлялись ему начала органических тел, образуются организованные части растений и животных (1759). Его труды были продолжены X. Пандером (1794-1865), который в 1817 г. впервые дал прекрасные иллюстрации процесса формирования зародышевых листков. В эти же годы был сформулирован закон Меккеля-Серра, согласно которому организм в ходе эмбрионального развития повторяет взрослые формы животных, стоящих на более низких стадиях «лестницы существ».

Основатель современной эмбриологии К. М. Бэр (1792-1876) свои самые значительные работы в этой области выполнил в 1825-1828 гг. Он впервые использовал при изучении эмбриогенеза различных групп позвоночных сравнительной метод, описал яйцеклетку у млекопитающих, доказав тем самым тезис Гарвея «все живое из яйца». Изучая онтогенез животных в доклеточный период развития биологии, он выявил закономерности эмбриогенеза на уровне пластов (эктодермы и энтодермы) и отметил, что причина смены стадий зависит от влияния друг на друга частей зародыша, а также от воздействия предшествующих стадий развития на последующие. Бэр впервые выделил три типа дифференцировок в эмбриогенезе: зародышевые листки, ткани и органы. При этом он считал, что все процессы в природе, в том числе и онтогенез, подчиняются телеологическому принципу, побуждающему все процессы идти от простого к сложному. Не материальные, а идеальные причины, по его мнению, управляли эмбриогенезом. Его концепция четырех типов животных строилась на существовании четырех принципиально разных типов эмбриогенеза. Бэр показал, что на первых этапах онтогенеза закладываются самые общие признаки типа, к которому принадлежит животное, а затем последовательно развиваются признаки класса, отряда, семейства и, наконец, индивидуальные признаки особи. Соединив учение Ж. Кювье о типах животных, идеалистическую морфологию и натурфилософию с эмбриологическими данными, он создал первую телеологическую концепцию эволюции (см. гл. 3.10).

Ч. Дарвин придавал эмбриологии огромное значение. Влияние учения об архетипе сказывается в первом издании «Происхождение видов» (1859), где Дарвин пишет, что строение зародыша указывает на строение прародителя. Вместе с тем, он сдвинул акцент в трактовке рекапитуляции, указав, что сходство зародышей свидетельствует об общности происхождения. Под влиянием теории Дарвина в 1860-1880-е гг. развивалось сравнительно-эволюционное направление эмбриологии, огромный вклад в которое внесли А. О. Ковалевский (1840-1901) и И. И. Мечников (1845-1916). Изучая эмбриональное развитие беспозвоночных, они старались выяснить закономерности филогенеза. Достоинство сравнительно-эволюционного метода Ковалевский продемонстрировал в работах по выяснению систематического положения асцидий и ланцетника на базе изучения их эмбриогенеза. Основатели сравнительно-эволюционной эмбриологии сформулировали филогенетическую теорию зародышевых листков и единые принципы развития беспозвоночных и позвоночных, доказав тем самым их филогенетическое родство. В 1882 г. И. И. Мечников открыл явление фагоцитоза и разработал на его основе фагоцитарную теорию иммунитета (см. гл. 3.4). Его теория фагоцителлы и сейчас считается наиболее обоснованной гипотезой происхождения многоклеточных.

Изучение ранних стадий развития стало возможным лишь после создания клеточного учения и внедрения в эмбриологию микроскопических методов исследования, позволивших детально исследовать морфологические структуры зародышей. Большую роль в эмбриологических исследованиях сыграл метод поклеточного прослеживания (cell-lineage), детально разработанный А. О. Ковалевским (1871) и Ч. Уитменом (1878), основанный на целлюлярном принципе и разработанный в рамках сравнительной эмбриологии, развитие которой требовало изучения происхождения различных органов из определенных клеток дробления. Судьба генераций отдельных бластомеров прослеживалась вплоть до формирования закладок дефинитивных органов. Полученные результаты сравнивались у разных групп животных. Применение буквенно-цифровой символики к клеткам дробления давало возможность отличать производные различных бластомеров. Метод поклеточного прослеживания в дальнейшем стал одним из основных приемов, с помощью которого изучалась детерминация зародышевых клеток.

Сравнительно-эволюционное направление эмбриологии в 60-70 гг. XIX в. находилось в значительной степени под влиянием воззрений Э. Геккеля (1834-1919). В 1866 г. он предложил термин «гетерохрония», т.е. различия во времени появления или в темпах развития гомологичных признаков между зародышами разных систематических групп или одних и тех же признаков у зародышей одного вида и разделил гетерохронии на положительные (акселерации-ускорения) и отрицательные (ретардации - замедления). Сформулированный им биогенетический закон приобрел широкую популярность. Суть его состояла в том, что в онтогенезе особь повторяет важнейший из тех стадий развития, через которые прошли ее предки. Закон должен был объяснить, как выражался Геккель, «механику онтогении». В этом случае любая стадия эмбрионального развития была бы обусловлена филогенетически. Догматизация биогенетического закона, превращение его в закономерность, объясняющую целесообразность онтогенетических реакций, привели к тому, что экспериментальное изучение причин зародышевого развития могло показаться излишним. Этому способствовал и сам Геккель, настойчиво пропагандировавший биогенетический закон.

Вместе с тем, изучение взаимоотношений онто- и филогенеза опровергало вывод Гекекеля о том, что онтогенез в кратком виде повторяет филогенез. Такое повторение возможно лишь при эволюции путем добавления новых стадий на конечных этапах онтогенеза. Благодаря Ф. Мюллеру было показано, что полнота рекапитуляции зависит от стадии онтогенеза, на которой происходило преобразование, способа этого преобразования, его скорости и глубины. В 1910 г. А. Н. Северцов (1866-1920) предложил концепцию филэмбри-огенеза, в которой выделил типы появления новых признаков на разных стадиях онтогенеза (архаллаксисы, девиации, анаболии). Синтез данных эмбриологии, морфологии и палеонтологии в его трудах привел к созданию учения о типах филогенетических изменений органов и функций, о филогенетических координациях и корреляциях. Ученик Северцова И. И. Шмальгаузен разработал представление о целостности организма в индивидуальном и филогенетическом развитии (1938).

 

3.6.2. Возникновение экспериментальной эмбриологии

 

Развитие экспериментальной эмбриологии было обусловлено огромным фактическим материалом, накопленным к тому времени описательной эмбриологией, и кроме того, принципиально новыми подходами к осмыслению этого материала. В предшествующих работах доминировал вопрос «как?», вопрос «почему?» ставился редко. Существенной для биологии и для эмбриологии особенно была и смена в середине XIX в. механодетерминизма биодетерминизмом, в рамках которого принято было рассуждать о внутренних причинах развития. Этот подход впервые был выражен в работах В. Гиса (1861-1904). Подобно Бэру, он искал причины формообразования в закономерностях неравномерного роста и корреляции частей, полагая, что каждая стадия эмбриогенеза является следствием предыдущей и основанием для последующей. Поэтому форма, по Гису, есть внешнее выражение взаимосвязанного, закономерно протекающего процесса.

В. Ру (1850-1924) пришел к выводу, что по нормальному, ненарушенному эмбриогенезу нельзя установить причинные связи. Достоверный ответ мог дать только эксперимент. Залогом быстрого становления механики развития, ее впечатляющих успехов, привлечения в новую область большого числа ученых была созданная Ру в 1880-е гг. программа исследований. Большое значение имело проведенное Ру упорядочивание и классификация наблюдаемых явлений, а также категориальный анализ многочисленных формально-логических понятий.

Опыты, поставленные Ру в 1884-1885 гг. на зародышах лягушки, показали, что развитие целого яйца является самодифференцировкой и не зависит от условий внешней среды. Решающий эксперимент 1888 г. должен был ответить на вопрос: является ли самодифференцировкой развитие отдельных частей яйца? Нагретой иглой Ру приостанавливал развитие одной из двух первых клеток дробления и наблюдал развитие оставшейся половины. Оказалось, что из нее впоследствии развивается лишь половинный зародыш с одним мозговым валиком, одной присоской, одним рядом первичных позвонков и т. д. Подобные «боковые полузародыши», hemiembryo lateralis как назвал их Ру, превращались затем иногда в нормальные зародыши, восстанавливая другую половину тела путем процесса, который Ру назвал постгенерацией. Повторив такую же операцию с четырехклеточной стадией, разрушая уже две клетки, Ру получал или подобный половинный зародыш, или такой, у которого развивилась лишь передняя половина тела - hemiembryo lateralis - зависимости от того, какие именно клетки были разрушены.

Создавалось впечатление, что каждый из двух первых бластомеров в яйце лягушки содержит зачатки лишь для правой и левой половины тела, а затем наступает их разделение на зачатки передней и задней половины. Таким образом, происходит, как назвал ее Ру, «мозаичная работа». На основании полученных данных Ру пришел к заключению, что развитие бластулы лягушки и зародыша, из нее образующегося, начиная со второго дробления, носит характер мозаичного образования, состоящего, по крайней мере, из четырех вертикальных, независимо развивающихся частей. Явление постгенерации Ру объяснял неравнонаследственным делением зиготы и допускал, что каждый бластомер в силу своей внутренней организации, определяемой ядром, как бы предназначен для развития данной структуры или группы структур. Однако судьба бластомера может подвергаться изменениям благодаря регуляторным процессам, которые активизируются при нарушении нормального хода развития, когда в действие вступают факторы, опраделяющие исход процесса. Такие факторы Ру назвал «реализующими».

Эксперимент Ру показал, что типичные структуры развивающегося яйца и эмбриона не нуждаются в формативных влияниях внешних агентов, и в этом смысле морфологическое развитие оплодотворенного яйца и его частей может быть названо самодифференцировкой. Этот вывод лег в основу его «мозаичной теории» развития, подтвержденной на многих объектах и воспринятой многочисленными последователями, сыграв роль «инициирующего» фактора в развитии экспериментальной эмбриологии.

 

3.6.3. Гипотеза проспективных потенций и энтелехия

 

Универсальность мозаичной теории, однако, была вскоре опровергнута. Уже в 1891 г. появилось исследование Г. Дриша (1867-1941), выполненное на яйцах морского ежа Echinus microtuberculatus: Поместив дробящиеся яйца в декальцинированную морскую воду, он изолировал бластомеры зародыша (в других опытах подобные изолированные бластомеры получались путем встряхивания). Из первых двух клеток дробления развивались не половинные зародыши, а совершенно нормальные двухслойные гаструлы или же нормальные плутеусы (личинки), только вдвое уменьшенные в размере. Тот же результат получался при изолировании одного из первых четырех шаров дробления. На основании этих опытов Дриш пришел к заключению, что гипотеза Ру не соответствует фактам. Его интересовал вопрос о возможной судьбе частей зародыша, и чем она определяется. Если при развитии зародыша имеет место мозаичная работа, то каким образом органы взрослого организма, представляющие единое целое, формируются из соединения многих дифференцирующихся независимо друг от друга зачатков?

Ответ, по мнению Дриша, дал его опыт 1892 года. Сдавливая четырехклеточный зародыш морского ежа между двумя покровными стеклами, Дриш получал вместо 8-клеточной бластулы плоскую бластулу, в которой было нарушено нормальное расположение бластомеров. Однако когда давление снималось, такая деформированная бластула развивалась, несмотря на нарушение пространственной организации и структуры, эквифинально. Отсюда Дриш сделал вывод, что судьба каждого бластомера не является однозначно определенной, а фактор, определяющий развитие целого, формируется раньше выделения частей. Этот фактор он назвал «энтелихией» и сформулировал тезис - «проспективное значение элемента есть функция его положения в целом». Второй важнейший вывод Дриша о том, что проспективная потенция частей в развивающемся зародыше шире их проспективного значения, явился теоретической основой разнообразных экспериментальных воздействий на организм зародыша, выявлявших эти потенции.

Явление эмбриональных регуляций, открытое Дришем, позволило по-новому объяснить процесс развития. Эмбриональные регуляции - это восстановление нормального хода развития после какого-либо нарушения. Такое восстановление достигается благодаря имманентному изменению путей развития отдельных частей зародыша. Эмбриональные регуляции отражают ход процесса от состояния омниопотентности к детерминированности. Детерминация идет от целого к частному: сначала детерминируется целый зародыш, затем постепенно или скачкообразно детерминируются отдельные элементы. Объяснение эмбриональных регуляций, данное Дришем, сохранило свое значение до настоящего времени.

Многочисленные эксперименты конца Х1Х-начала XX вв., показали, что самодифференцирование и коррелятивное (или зависимое, по терминологии Ру) дифференцирование на самом деле не противоречат друг другу, а в нормальном эмбриогенезе сосуществуют. Было установлено, что у целого ряда форм (гребневики, моллюски, асцидии) наблюдается развитие, соответствующее мозаичной теории. В то же время эксперименты показали, что морские ежи, гидромедузы, ланцетник, амфибии дают пример развития, зависящего от эмбриональных регуляций. В итоге Ру разделил яйцеклетки всех изученных в этом отношении животных на две группы: мозаичные и регуляционные.

Последующие исследования позволили сделать заключение, что принцип мозаичного развития и самодифференцирования в равной мере применим как к «мозаичным», так и к «регуляционным» яйцам, и что различие в их развитии обусловлено отчасти разным отношением характера дробления к первоначальной плазматической прелокализации, отчасти временными и количественными различиями в способности к регуляции. Значение гипотезы зародышевой плазмы А. Вейсмана (1834-1914) или мозаичной теории Ру заключалось отнюдь не в решении проблемы, а в ее постановке и в возможности экспериментальной проверки. Эксперимент давал подчас неожиданный материал, не укладывавшийся в рамки существующих теорий, и являлся стимулом для создания новых гипотез. Это хорошо видно на примере проблемы целостности онтогенеза, которую пытался теоретически обосновать Дриш. Неовиталистическая концепция, создаваемая им на протяжении многих лет, увела его в сторону от биологии. После 1910 г. он отказался от эксперимента, целиком посвятив себя философии.

 

3.6.4. Теория биологического поля

 

Гипотезы о градиентах и полях были новой постановкой проблемы целостности, которая не решалась путем классического каузального анализа. Понятие «поля» отражало интегрированность эмбриогенеза на всех его стадиях. Его биологи заимствовали у физиков, чтобы показать зависимость эмбриональных процессов от свойств пространства, в котором они разворачиваются. В биологию это понятие ввел Т. Бовери (1901). Заслуга создания гипотезы поля, применительно к эмбриональному развитию принадлежит А. Г. Гурвичу (1874-1954).

Началом разработки теории полей стали эксперименты Гурвича по применению статистических методов к проблемам морфогенеза, которые он начал в 1910 г. Математическая обработка полученного материала привела к формулировке геометрически инвариантного закона для движения эпителиальных пластов клеток. Клетки в процессе формирования ориентируются так, как если бы они притягивались некой силовой поверхностью, названной Гурвичем «динамически преформированной морфой», определяющей консригурацию зачатка. По его мнению, экспериментально установленные причинные зависимости не объясняли такие проблемы как связь целого и части в развитии, реализацию в онтогенезе видовых свойств, пространственную организацию («геометрию») эмбриогенеза. В работе «О понятии эмбриональных полей» (1922) им было сконструировано поле формообразования для соцветия ромашки и шляпки гриба Marasmius. Здесь окончательная конфигурация зачатка рассматривалась уже не как притягивающая силовая поверхность, а как эквивалентная поверхность поля, исходящая из точечных источников.

При всей своей абстрактности математические модели морфогенеза А. Г. Гурвича используются в различных синергетических моделях онтогенеза и в гипотезах, объясняющие скачкообразность эмбрионального развития и параметрическое управление онтогенезом.

 

3.6.5. Теория организационных центров и эмбриональной индукции

 

Начиная с 1920-х гг. экспериментальная эмбриология получила новый стимул к развитию благодаря открытию Г. Шпеманом (1869-1941) явления эмбриональной индукции и связанной с ней концепцией организатора (Нобелевская премия за 1935 г.). В работе 1924 г. Г Шпеман и X. Мангольд показали, что спинная губа бластопора действует как индикатор нервной пластинки, и что трансплантат, взятый из этой части зародыша, способен индуцировать развитие вторичного осевого зачатка на брюшной стороне зародыша. Шпеман назвал спинную губу бластопора «первичным организатором». Представление об организаторе позволило объединить ранее известные индукционные системы, участвующие в развитии отдельных органов, в некую общую систему, определяющую дифференцировку всего зародыша. Методика Шпемана и его учеников сводилась к двум основным приемам гомо- и гетеротрансплантации: удалению изучаемой части зародыша, пересадке ее в другое место или к другому зародышу или к введению препарата органа в организм подопытного животного.

Благодаря этим исследованиям было получено описание способа преобразования бластулы в тело зародыша, имеющего билатеральную симметрию; выяснено онтогенетическое происхождение материала и способ формирования осевых структур и зачатков всех основных органов; открыто время появления специфических свойств дифференцирующихся зачатков из морфогенетически однородного материала и его связь с явлением индукции, когда в результате устанавливающегося контакта ткани-индуктора с реагирующей тканью последняя приобретает способность к новой дифференцировке. Были открыты свойства реагирующих систем и динамика их преобразования в зачатки органов с периодами «лабильной» и «устойчивой» детерминации.

Шпеман (1914, 1928) на зародышах тритона попытался путем переноса ядер дробящихся бластомеров в ооплазму экспериментально решить вопрос о равнозначности потенций соматических клеток. Накладывая лигатуру из волосяной петли на оплодотворенную яйцеклетку, Шпеман перетягивал ее таким образом, что ядро оказывалось лишь в одной половине полученной гантелеобразной фигуры, в которой и начиналось дробление. Когда дробящаяся половина достигала 16-клеточной стадии, Шпеман ослаблял лигатуру, и ядро одного из бластомеров по тонкому цитоплазматическому мостику попадало в безъядерную часть, где вскоре также начиналось дробление. В результате каждая половина яйцеклетки образовывала нормальный зародыш. Таким образом, Шпеману удалось показать, что, по крайней мере, первые 16 делений яйцеклетки являются наследственно равными, т.е. ядра дробящихся бластомеров эквивалентны ядру зиготы. Однако его эксперименты не выяснили окончательно, сужаются ли потенции ядер на более поздних стадиях развития.

 

3.6.6. Анализ явлений роста

В процессе эмбриогенеза огромную роль играют процессы перемещения, размножения, дифференцирования и гибели определенных структурных компонентов организма. Явления роста отличаются от этих процессов, так как рост может осуществляться посредством одного, а чаще нескольких формообразовательных процессов. Анализ роста как количественного явления не раз облекался в математическую форму.

К середине XX в. эмбриологи выделили несколько типов роста и показали их отличие у разных групп животных. Когда рост происходит путем увеличения клеток, которые при этом не делятся, он называется ауксетичным. Такой рост наблюдается у коловраток, круглых червей, личинок насекомых. Число клеток при этом остается постоянным (эвтелия). Рост размеров клеток связан нередко с полиплоидизацией клеточных ядер. Пролиферационный рост характеризуется тем, что обе клетки, производные от материнской, снова вступают в деление. При этом различают мультипликативный рост, который можно выразить формулой, где п - номер деления, и количество клеток растет в геометрической прогрессии. Этот механизм роста больше всего увеличивает массу организма. Акреационный рост связан с тем, что после каждого деления лишь одна клетка снова делится, тогда, как другая деление прекращает. При этом число клеток растет линейно: если n - номер деления, то . Рост большинства организмов в эмбриональном и раннем постэмбриональном периоде больше всего соответствует мультипликативному

росту.

При построении математических моделей процессы роста рассматривались в двух аспектах: как чисто скалярные процессы увеличения массы и как пространственно организованный процесс. В первом случае строились уравнения абсолютной скорости роста во времени, а во втором при изучении различий в относительных скоростях роста между частями организма, а также между разными направлениями внутри одного и того же зачатка использовались уравнения, в которых время обычно не участвует. Первые математические теории скорости роста были сформулированы Ч. Майнотом (1913), С. Броди (1927), Дж. Хаксли (1932) и И. И. Шмальгаузеном (1935).

В центре дискуссий оказалась проблема гетерохронии. Большой вклад в ее изучение внес английский эмбриолог Г. де Бир (1930), показавший эволюционную значимость гетерохронии раннего развития—неотении, педоморфо-за, ретардации. Принцип гетерохронии оказался очень продуктивным, так как отражал относительную независимость большинства онтогенетических процессов, поскольку между ними нет жестких причинно-следственных связей, а существуют лишь параметрические. Эмбриональные перестройки типа гетерохронии, как правило, не нарушают устойчивости и инвариантности архетипов.

 

3.6.7.  Изучение онтогенеза у растений

 

В отличие от животных, у растений большая часть дифференциаций происходит в постэмбриональный период, изучению которого уделялось основное внимание. В центре интересов находились вопросы возрастных изменений, роста, чередования поколений, перехода к генеративному развитию. В начале XX в. сложилась экспериментальная морфология, в рамках которой были предприняты попытки изменить форму растений путем воздействия на их онтогенез. Г. Клебс (1905), пытаясь вызвать в произвольный момент половое и бесполое размножение водорослей и грибов, индуцировать переход к цветению, обратить последовательность образования вегативных и генеративных функций, высказал идею о стадийности развития растений и о переходе их к цветению при преобладании в тканях углеродистых веществ над азотистыми. В 1920-1930-х гг. развернулось изучение роли пониженных температур, длины дня и продолжительности фотопериодизма в переходе растений к цветению. Периоды онтогенеза, чувствительные к этим факторам, были, соответственно, названы температурной и световой стадиями яровизации. Хотя смена требований к условиям существования у растений при подготовке к цветению и изменение их чувствительности были признаны почти всеми физиологами растений, сами факты получили различные интерпретации. Наибольшей популярностью пользовалась гормональная гипотеза М. X. Чайлахяна (1937, 1938), в которой утверждается, что под действием пониженных температур в точках роста накапливается особые гормоны.

Данные по биологии развития растений стали основой для попытки опровержения классической генетики в опытах Т. Д. Лысенко и его многочисленных последователей по «переделке природы организмов». Эти «эксперименты» никогда и нигде не получили подтверждения, однако в условиях сталинской России взгляды Лысенко были признаны «передовой советской мичуринской биологией». Ее кульминацией стала сессия ВАСХНИЛ в августе 1948 г., на которой генетические исследования были запрещены. Триумф «мичуринской биологии» был обусловлен политическими факторами и, прежде всего, верой руководства СССР в обещания ее сторонников повысить урожайность растений и продуктивность животных путем вегетативной гибридизации и целенаправленным изменением онтогенеза.

Высокая пластичность постэмбрионального развития растений затрудняет изучение физиологии и биохимии их онтогенеза. Представления о морфогенезе и цветении растений разрабатываются преимущественно методом культивирования протопластов, клеток, тканей, органов in vito,

 

3.6.8.  Эмбриология и генетика

 

Взаимодействие генетики и эмбриологии в начале прошлого столетия связано с именем Т. X. Моргана (см. гл. 3.3). Школа Моргана занималась изучением закономерностей передачи наследственных свойств, игнорируя проблему их осуществления. Даже в книге Моргана «Эмбриология и генетика» (1932) фактически нет связи между генетическими и эмбриологическими главами. Оставалось неясным, как неизменный комплекс генов может направлять онтогенез.

Р. Гольдшмидт (1878-1958) интересовался не столько проблемой передачи генов в поколениях, а сколько реализацией наследственных факторов в онтогенезе. В книге «Физиологическая генетика» (1938) он развивал идею о том, что продукты генной активности регулируют скорости процессов развития и тем самым влияют на отногенез. Принцип «эпистатического действия» генов Гольдшмидта был близок идеям Дж. Хаксли о гетерохроническом росте при аллометрии и позволял представить, как контролируются генами сроки появления любой структуры, ее размеры и соотношения с другими структурами. Изменения во времени возникновения одного морфологического признака, по Гольдшмидту, могли иметь глубокие последствия для последующих стадий онтогенеза и стать причиной формирования новых структур. Об этом свидетельствовали различные примеры неотении, педоморфозов, рудиментарных органов и т. д. Не приняв тезис о единстве микро- и макроэволюции, Гольдшмидт создал собственный вариант макроэволюции путем возникновения системных мутаций, которые возникали в результате изменений положения гена, что отражалось на его экспрессии в фенотипе.

Попытки связать изучение генов и их экспрессии, исследовать звенья цепи от гена к сформировавшемуся признаку, привели уже в 1920-х гг. к осознанию необходимости феногенетических исследований. Целью феногенети-ки В. Геккер (1918) считал исследование функций и основных физиологических реакций наследственного вещества и его дальнейшую связь со специфическими признаками взрослого организма. Изучение соотношения генотипа и фенотипа в 1920-1930-е гг. стало отправным пунктом многочисленных работ. Изучение феногенетики дрозофилы связано с именем Б. Л. Астаурова (1927). Мутация, названная им 1е1гар1ега, сопровождалась изменением жужжалец (галтеров). Это была одна из первых открытых мутаций гомейозисного типа, которые проявляются в форме аномалий в закладках органов, развивающихся у насекомых из имагинальных дисков. Их особенность состоит в том, что их проявление зависит от условий развития, и они выражены в неодинаковой степени. Сам характер их фенотипического проявления уникален, так как отклонение от нормального развития выражается в формировании нетипичных структур. Например, при мутации aristopeda из имагинальных дисков, в норме формирующих усики (аристы), развиваются конечности.

Техника микрохирургических трансплантаций сделала возможными эксперименты по пересадке ядер у зародышей позвоночных. Пересадки ядер соматических клеток в энуклеированную яйцеклетку были проведены на зародышах амфибии Г. Кингом и Р. Бриггсом (1952). Они перемещали ядро зародыша лягушки Rапа рiрiens на стадии поздней бластулы и ранней гаструлы в яйцеклетку, из которой было предварительно удалено ядро и которая активировалась к развитию уколом стеклянной иглы. Если донорами служили клетки анимального полюса на стадии поздней бластулы, то примерно 40-80% яиц с пересаженными ядрами начинали нормально дробиться, и большая часть из них достигала личиночной, а иногда и более поздней стадии. В целом эти работы подтвердили результаты Г. Шпемана.

Детальные эксперименты на зародышах амфибий, рыб и дрозофилы провел в 1960-1970-е гг. английский эмбриолог Дж. Гердон. Он показал, что до стадии гаструлы ядра содержат набор генов, идентичный геному половой клетки. Если же в яйцеклетки пересаживались ядра из клеток более поздних стадий развития, то дробление прекращалось тем раньше, чем более поздней была стадия развития донорского зародыша. В отдельных экспериментах Дж. Гер дону удалось получить полноценных особей шпорцевой лягушки из яйцеклеток, в которые были пересажены ядра клеток кишечного эпителия головастика или кожи лягушки (1974). Таких данных было получено мало, но они подтвердили способность генома сохранять тотипотентность. Эксперименты по пересадке соматических ядер дали много информации относительно роли ядерно-плазменных отношений в развитии. Гердон показал, что синтетическая активность ядра находится в зависимости от влияния цитоплазмы. Опыты последних лет по клонированию млекопитающих показали, что и в специализированных клетках взрослых особей сохраняется генетическая информация, необходимая для развития новой особи.

Генетики и эмбриологи пришли к пониманию необходимости изучения взаимодействия между ядром и цитоплазмой, что означало необходимость взаимодействия эмбриологии и генетики. Для того чтобы понять, как гены контролируют онтогенез, необходимо было выяснить, как функционируют гены и как регулируются их функции. Это стало возможным после зарождения молекулярной генетики. Гипотеза Дж. Бидла и Э. Тейтума «один ген-один фермент» (1943), расшифровка структуры ДНК Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953), и модель оперона Ф. Жакоба и Ж. Моно (1961) (см. гл. 3.3.) сделали объединение эмбриологии и генетики не только возможным, но и весьма плодотворным. Это проявилось в расцвете школ, основанных еще в 1930-1940-х гг. К. Уоддингтоном в Англии, К. Штерном в США и Э. Хадорном в Германии. Проблема функциональной активности генов стала одной из основных задач новой дисциплины—биологии развития, объединившей данные биохимии, молекулярной генетики, клеточной биологии и экспериментальной эмбриологии.

Согласно современным представлениям молекулярно-генетическая основа дифференцировки - активность специфических тканевых генов. Все соматические клетки организма обладают одинаковым набором генов, но в каждой клетке активна лишь их часть. Избирательная активация генов приводит к синтезу белков, определяющих тип клеток. Говоря о роли генов в развитии, следует помнить, что клетка возникает из другой клетки, а не заново из продуктов активности ее генов. Поэтому механизм формирования клеток и тканей невозможно понять, ограничиваясь только рассмотрением структуры и экспрессии генов. Имея дело с такой сложной и высокоорганизованной системой как многоклеточный организм, нельзя переносить на него механически закономерности, установленные для прокариот и отражающие лишь определенный фрагмент эмбриогенеза, вырванный из системы клеточной регуляции. Сами понятия «ген» и «признак», а также связь между ними имеют значение лишь в сложном цикле индивидуального развития.

Молекулярная биология обеспечила ряд фундаментальных открытий в области генетики и эмбриологии, о некоторых уже говорилось в предыдущих главах. Среди остальных необходимо назвать открытие факторов роста клеток нервной ткани (С. Коэн) и эпителея (Р. Леви-Монтальчини) (Нобелевская премия за 1986 г.). К. Нюсслейн-Фольфгард и Э. Вейсхаус выявили гены, имеющие ключевое значение в ходе раннего эмбрионального развития для определения схемы тела и формирование его сегментов, а Э. Льюис обнаружил пространственно-временное соответствие между расположением генов в хромосоме и областями тела, развитие которых эти гены направляют (Нобелевская премия за 1995 г.). Как бы символизируя связь генетики и эмбриологии, Нобелевский комитет первую в третьем тысячелетии премию в области физиологии и медицины присудил Л. Хартвеллу, Р. Ханту и П. Нерсу за открытие ключевых молекул, регулирующих клеточный цикл у эукариот.

Синтез направлений в рамках биологии развития снял противоречия между задачами и объяснительными принципами экспериментальной и сравнительно-эволюционной эмбриологии. Перспективы их преодоления были намечены еще в трудах классиков эмбриологии А. Н. Северцова, Д. П. Филатова, П. Г. Светлова, Дж. Хаксли, Г. де Вира. Их взаимодействие способствовало коррекции эксперимента, предохраняя от бессмысленного расчленения живых систем, приближая к пониманию эмбриогенеза, сочетающего устойчивость с лабильностью, единство целого с автономией его частей.

Эмбриология способствовала изживанию упрощенных представлений о прямых реакциях организма на изменение внешних влияний. Онтогенез оказался канализованным, и существует несколько устойчивых архетипов, в границах которых допустимы приспособления организма к условиям среды. История эмбриологии подтвердила мысль Моргана о том, что не существует одной всеобъемлющей проблемы развития. Прежде чем выяснить изменения формы зародыша как целого, надо проследить многообразные изменения, которые входят в каждое отдельное изменение формы, с тем, чтобы потом синтезировать их под одной или несколькими рубриками.

 

Литература

Белоусов А. В. Введение в общую эмбриологию. - М.: Изд-во МГУ, 1980.

Бляхер Л. Я. Очерк истории морфологии животных. - М.: Изд-во АН СССР, 1962.

 Газаряк К. Г., Белоусов Л. В. Биология индивидуального развития животных, - М.: Высшая школа, 1983. Гайсинович А. Е. К.Ф. Вольф и учение о развитии организмов. - М.: Изд-во АН СССР, 1961.

Музрукова (Баглай) Е. Б. Формирование представлений о причинах индивидуального развития, - М.: Наука, 1979.

Юсупов А. Г. Механизмы регенераций растений. - Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского ун-та, 1982.

 

3.7. Основные направления в физиологии

животных и человека

 

3.7.1. Институционализация экспериментальной физиологии

 

До начала XIX в. представления о функциях организма были скорее логическими выводами из анатомических сведений об органах, чем результатами физиологических исследований. Сильным тормозом развитию физиологии являлся витализм. Французский естествоиспытатель К. Биша (1771-1802) преодолел вольфовскую телеологию, утверждавшую, будто жизнь является следствием таинственной деятельности нематериального начала высшего порядка. Однако сам он жизненную силу стал искать в самом организме, в свойствах живого вещества. Биша, создав учение о тканях организма (гистологию), абсолютно противопоставлял жизненные свойства тканей их физико-химическим свойствам.

Лейтмотив концепции К. Биша: «Жизнь—совокупность жизненных свойств, противодействующих физическим» оспаривался крупным французским физиологом Ф. Мажанди (1783-1855), который в 1809 г. стремился свести все проявления жизнедеятельности к физико-химическим процессам, как в прошлом это делали ятромеханики и ятрофизики Т. Парацельс, Я. Гельмонт, А. Борелли, Л. Беллини и др. (см. гл. 2.4). Мажанди считал нужным развивать физиологию, опираясь натри атрибута точных наук: эксперимент, измерения и математический анализ причинно-следственных отношений между стимулом и реакцией организма.

Это направление физиологии во Франции встретило меньше сопротивление, чем в других странах. Англия тогда отличалась ханжеством защитником прав животных, запрещавших вивисекцию. Антививисекционистом был и знаменитый Ч. Белл (1774-1842), который в 1811 г. на основании анатомических наблюдений предположил, что задние корешки спинного мозга образованы чувствительными, а передние—двигательными нервными волокнами. Экспериментальные доказательства этого привел Мажанди в работе 1822 г. «Опыты о функциях корешков спинномозговых нервов» (закон Белла-Мажанди). До Мажанди физиология только рассказывалась студентам, он же с 1813 г. стал демонстрировать на лекциях эксперименты. С 1821 г. Мажанди издавал «Журнал экспериментальной физиологии и патологии». В нем были опубликованы его открытия трофических влияний центральной нервной системы на роговицу, цереброспинальной жидкости (термин Мажанди) и путей ее движения по желудочкам мозга (через отверстие в задней стенке IV желудочка, которое носит его имя), а также его работы по экспериментальной фармакологии.

В Германии и России внедрение эксперимента в физиологию встречало сильное сопротивление сторонников натурфилософии, пытавшихся познавать мир через наблюдения и рассуждения, а не путем эксперимента, который, якобы, искажая природу изучаемых явлений, приводит к ложному знанию. Их приверженцем в начале своей научной деятельности был И. Мюллер (1801-1858). Однако впоследствии он отказался от натурфилософии и воспитал плеяду выдающихся ученых. Основной вклад в науку самого Мюллера—создание учебника, обобщающего все достижения физиологии к 1830-м гг. Этот учебник стал хорошей стартовой площадкой для высокого темпа развития физиологической науки.

Физиология формально отделилась от анатомии и других смежных научных дисциплин в университетах во второй половине XIX в., когда появились самостоятельные кафедры физиологии с исследовательскими лабораториями.

В России экспериментальная физиология развивалась поначалу в Дерпте и Москве благодаря плодотворной деятельности там учеников И. Мюллера: Ф. Г. Биддера (1810-1894), А. М. Филомафитского (1807-1849) и И. Т. Глебова (1806-1884). Напротив, в Санкт-Петербургской Медико-хирургической академии Д. М. Велланский (1773-1847) твердо стоял на позициях натурфилософии. О его воспитанниках клиницист М. Я. Мудров говорил: «Ослепившись блеском высокопарных умствований, рожденных в недрах идеальной философии, молодые врачи ищут причины болезней в строении Вселенной и не хотят сойти с эмпирических высот безвещественного мира». В 1837 г. преемник Велланского А. П. Загорский (1805-1888) начал использовать эксперименты в преподавании физиологии, и в 1848 г. в Академии была создана самостоятельная кафедра физиологии. Однако только в 1860-е гг. И. М. Сеченов (1829-1905) организовал при кафедре исследовательскую лабораторию и стал «отцом русской физиологии».

Реорганизации физиологии в Германии наряду с Мюллером способствовали Я. Э. Пуркине (1787-1869) и Э. Г. Вебер (1795-1875). Первый из них в Бреслау создал физиологическую лабораторию, преобразованную в 1836 г. в первый Институт физиологии в Европе. Э. Г. Вебер в Лейпцигском университете активно развивал экспериментальную физиологию. К числу его важнейших открытий относят: основной закон психофизики органов чувств (нелинейный характер зависимости силы ощущений от интенсивности раздражителей), механизм обеспечения непрерывности кровотока за счет эластических свойств аорты, механические закономерности акта ходьбы, снижение частоты и ослабление сердечных сокращений при стимуляции блуждающих нервов. Эти открытия он сделал совместно со своими братьями Вильгельмом и Эдуардом. Торможение сердечной деятельности при стимуляции блуждающего нерва наблюдал в 1838 г. (за 4 года до Веберов) А. В. Фолькманн (1801-1877). Фолькманну принадлежит также заслуга точного определения систолического объема сердца и открытие важного элемента кровоснабжения костей (фолькманновских каналов).

В новом поколении физиологов тон задавали ученики Мюллера, Мажанди, Пуркине и Вебера: Э. Дюбуа-Реймон (1818-1896), Г. Гельмгольц (1821-1894), Э. Брюкке (1819-1892), К. Людвиг (1816-1895), К. Бернар (1813-1878). Они довели физико-химический подход к явлениям жизни до механицизма, а такое упрощение не всегда приводило к правильным результатам. И все же этот путь развития физиологии оказался наиболее плодотворным в XIX в. В 1852-1856 гг. увидел свет учебник физиологии Людвига. В нем все физиологические процессы излагались последовательно на основе физики и химии. Людвиг придал физиологии аналитический характер.

Не случайно среди выдающихся физиологов той поры преобладали немцы. Объединение мелких германских государств в единую страну под эгидой Пруссии позволило лучше финансировать научные исследования, на базе бурного развития промышленности совершенствовалась техника экспериментальных работ, создавались физиологические институты с прекрасными условиями для работы. Со всего мира в них устремились молодые люди, прежде всего врачи, увидевшие тогда в физиологии наиболее надежную и перспективную дорогу к решению медицинских проблем. Германские физиологические институты выглядели дворцами. Там физиологи не только работали, но и жили, так как, по мнению К. Бернара (1813-1878), «чтобы стать физиологом, надо жить в лаборатории». В Англии и СИТА тогда не существовало самостоятельных физиологических лабораторий, а в университетах физиология преподавалась вместе с анатомией, даже без демонстраций экспериментов.

Интернациональной научной школой подготовки физиологов стал Институт физиологии Лейпцигского университета, директором которого в 1865 г. стал К. Людвиг. В нем было несколько лабораторий, оснащенных самой современной аппаратурой. Людвиг в 1846 г. изобрел кимограф—прибор для регистрации физиологических процессов, что значительно улучшило метрологическое обеспечение экспериментов. Введение кимографа в физиологию сравнивали с началом книгопечатания для прогресса цивилизации. Чуть позже Людвиг усовершенствовал конструкцию манометра для записи на кимографе кривой, отображающей динамику кровяного давления у животного. На основе кимографа Г. Гельмгольц сконструировал миограф, К. Фирордт - пульсограф, француз Э. Марей - приспособление для пневмографической регистрации, итальянец А. Моссо - плетизмограф (для изучения кровенаполнения отдельных органов), сам Людвиг при участии российских ученых И. М. Догеля и Я. Я. Стольникова создал «кровяные часы» -  «шромур» (для определения объемной скорости кровотока). Работая у Людвига, И. М. Сеченов изобрел абсорциометр -прибор для извлечения из жидкости кислорода и углекислого газа с последующим анализом их содержания в крови. В физиологическом институте Людвига прошли стажировку более 300 человек разных национальностей. Впоследствии многие из них создали собственные школы, лаборатории и институты в своих странах.

Так, И. М. Сеченов в Петербургской Военно-медицинской академии основал первую российскую физиологическую школу, к которой принадлежали И. Р. Тарханов (1846-1908), И. П. Павлов (1849-1936), Л. А. Орбели (1882-1958). Ф. В. Овсянников (1827-1906) в связи с избранием академиком уехал из Казани в Петербург и создал физиологическую лабораторию Академии наук, а также руководил кафедрой физиологии Петербургского университета, где в разное время трудились И. Ф. Цион, Н. И. Бакст, И. М. Сеченов, В. Н. Великий, Н. Е. Введенский, А. А. Ухтомский. В Казани преемником Овсянникова стал Н. О. Ковалевский (1840-1891). Его сотрудничество с кафедрой гистологии, возглавляемой К. А. Арнштейном, обеспечило физиологическим работам хорошую морфологическую базу, а морфологическим трудам -функциональную осмысленность. С приходом на кафедру А. Ф. Самойлова (1869-1930) там стала процветать электрофизиология. В Московском университете после А. И. Бабухина (1827-1891) кафедрой физиологии заведовал Ф. Н. Шереметевский (1840-1891), его сменил И. М. Сеченов, покинувший Петербург в 1889 г. В Харькове кафедрой физиологии долгое время руководил И. П. Щелков (1833-1909), получивший солидное образование в лабораториях Людвига и Вирхова.

Учеником Людвига был один из основоположников современной физиологии в Англии У. Шарлей (1802-1880). Его ученик М. Фостер (1836-1907) считал, что физиология не сводится только к физике и химии, и упрекал Людвига в механицизме. К его школе принадлежат У. Гаскелл (1847-1914), установивший закон градиента автоматизма в миокарде, а также Дж. Ленгли (1852-1925), Дж. Баркрофт (1872-1947), К. Лукас (1879-1916), Ч. Шеррингтон (1857-1952), Д. Бурдон-Сэндерсон (1828-1905). С этими именами, а также с именами их учеников (например, А. Хилла (1886-1977), Э. Эдриана (1889-1977), Дж. Эклса (1914-1997)) связаны достижения английской физиологии в конце Х1Х-начале XX вв. Наряду с ними должны быть названы У. Бейлис (1860-1924) и Э. Старлинг (1866-1927).

В США основоположником серьезных научных исследований также был ученик К. Людвига - Г. Боудич (1840-1911), который еще в Лейпциге сделал крупные открытия: в исследованиях миокарда установил закон «все или ничего» и феномен «лестницы Боудича». В 1876 г. он организовал в Гарварде кафедру физиологии с лабораторией. Его учениками были А. Кушинг, М. Портер, Н. Пратт. В 1901 г. Боудич вместе с Праттом основали компанию по производству аппаратуры для физиологических экспериментов, положив тем самым первый камень в фундамент нынешнего американского медико-биологического приборостроения. В 1906 г. преемником Г. П. Боудича в Гарварде стал У. Кеннон (1871-1945), который называл себя «сыном Боудича и внуком Людвига».

 

3.7.2. Нервно-мышечная физиология

 

В 1840 г. И. Мюллер поручил Э. Дюбуа-Реймону проверить достоверность опытов К. Маттеуччи (1781-1862), который при помощи гальванометра впервые зарегистрировал электрические токи нервов и мышц. Дюбуа-Реймон начал работу с усовершенствования аппаратуры, сконструировав наиболее чувствительный гальванометр из всех, которыми располагала тогда физика. Он издал три тома книги «Исследование животного электричества» (1848-1860). Созданный им в Берлинском университете физиологический институт разрабатывал одно направление—электрофизиологию. И не зря Дюбуа-Реймон признан «отцом электрофизиологии». Через физиологический институт Берлинского университета прошли во второй половине XIX в. почти все физиологи и врачи, интересовавшиеся электрофизиологией, включая И. М. Сеченова, И. Ф. Циона, Н. Е. Введенского, В. М. Бехтерева, С. П. Боткина.

Институт стал местом рождения нового раздела физиологической науки -  нервно-мышечной физиологии, которая потом стала называться физиологией возбудимых тканей и явилась зародышем важнейшего направления биофизики.

На протяжении многих лет в электрофизиологии шла борьба между теориями предсуществования и альтерации. Первую из них сформулировал Дюбуа-Реймон, утверждавший, что электрическую энергию живые клетки генерируют и при возбуждении, и в покое. Его ученик Л. Германн, автор теории альтерации, полагал, что биоэлекторогенез происходит только при возбуждении. В конце 1930-х гг. в прямых опытах с применением микроэлектродной техники А. Ходжкин и Э. Хаксли в Плимуте, а также К. Коул, И. Кертис в Вудс-Холле доказали правоту Дюбуа-Реймона. Следуя теории предсуществования, Ю. Бернштейн (1839-1917) в 1902-1910 гг. сформулировал мембран-но-ионную гипотезу биоэлектрогенеза, которая нашла затем экспериментальное подтверждение в том, что касалось потенциала покоя. Механизм потенциала действия он объяснял неправильно - наличие инверсии («овершут») мембранного потенциала при возбуждении не укладывалось в его гипотезу. Природу «овершута» раскрыли А. Ходжкин (1914-1998), Э. Хаксли (р.1917) и Б. Кац (р. 1911), сформулировав «натриевую гипотезу». Ходжкин и Хаксли стали Нобелевскими лауреатами в 1963 г., а Кац - в 1970 г.

Дюбуа-Реймон, его сотрудники и последователи зарегистрировали электрические феномены, сопровождающие возбуждение различных органов. Г. Гельмгольц в 1850 г. измерил скорость проведения нервных импульсов, она составляла 25-30 м/с. Позднее Гельмгольц занимался нервно-мышечной физиологией. Он выяснил механизм тетануса скелетных мышц. Его ученик В. Нернст создал гальванический элемент второго рода (концентрационный элемент), который позднее стал моделью источника электрических процессов в живых тканях.

Непосредственное отношение к развитию физиологии имеет закон сохранения энергии (первое начало термодинамики), сформулированный Г. Гельмгольцем независимо от врача Р. Ю. Майера и предпринимателя Д. П. Джоуля в строгой математической форме в книге «О сохранении силы» (1847), которая стала краеугольным камнем всей современной биоэнергетики. Его вывод о том, что Солнце - это главный источник энергии на Земле, предопределил развитие экологии. В работах по электрофизиологии был установлен также закон двусторонней проводимости нервного волокна (Дюбуа-Реймон, 1843; Бабухин, 1976) и теория локальных токов Л. Германна (1872), правильно объяснившая механизм бездекрементного распространения возбуждения. Позднее она была дополнена теорией сальтаторного проведения нервных импульсов по миелиновым волокнам (Б. Ф. Вериго, 1888; Р. С. Лилли, 1925; И. Тасаки, 1953, 1968). В 1930-е гг. Дж. Эрлангер (1874-1965) и Г. Гассер (1888-1963) установили зависимость скорости проведения возбуждения от толщины и особенностей структуры нервного волокна (Нобелевская премия за 1944 г.).

Физиология возбудимых тканей очень продуктивно развивалась Э. Пфлюгером (1829-1910), который был учеником Мюллера и Дюбуа-Реймона. Его педантичная работа на нервно-мышечных препаратах устранила неопределенность в результатах изысканий многих ученых, использовавших электрический ток для стимуляции. Его знаменитая таблица 12 вариантов электротонических явлений, отображающих закон электротона («Пфлюге-ровский закон»), стала методическим руководством для всех последующих поколений электрофизиологов. В 1868 г. Пфлюгером был основан один из самых авторитетных физиологических журналов.

Электрические процессы в сердце животных первым зарегистрировал французский физиолог Э. Марей в 1876 г. при помощи капиллярного электрометра. Этот прибор позволил в 1887 г. англичанину О. Уоллеру записать на фотопластинке электрограмму человеческого сердца при наложении электродов на конечности. Она напоминала волны на водной поверхности. Голландский физиолог В. Эйнтховен (1860-1927) при помощи математической обработки такой электрограммы в 1895 г. нарисовал электрокардиограмму, а затем в течение нескольких лет совершенствовал приборы для ее непосредственной регистрации. При помощи сконстрированного им струнного гальванометра В. Эйнтховен 18 ноября 1902 г. получил, наконец, электрокардиограмму, имевшую именно ту форму, которая была им нарисована в 1895 г. В 1924 г. В. Эйнтховен стал Нобелевским лауреатом.

С 1906 г. струнный гальванометр стал широко использоваться в различных электрофизиологических исследованиях. С его помощью В. В. Правдич-Неминский (1879-1952) в 1912-1913 гг. впервые осуществил графическую регистрацию электрических процессов в головном мозге собаки при отведении биопотенциалов как от обнаженного мозга, так и от кожи головы. До него колебания электрических потенциалов мозга животных наблюдали посредством зеркального гальванометра Р. Кэтон (1834-1926), В. Я. Данилевский (1852-1939), И. М. Сеченов. Н. Е. Введенский (1884) воспринимал их на слух, пользуясь телефонной трубкой А. Белла. Правдич-Неминский назвал регистрируемую им кривую электроцереброграммой и дал классификацию ее частотных составляющих, обозначив их волнами 1-УП порядков. В июне 1924 г. немецкий психиатр Г. Бергер (1873-1941) записал электрограмму мозга человека и в период с 1929 по 1938 гг. детально описал ее в 20 статьях под одним и тем же названием: «Об электроэнцефалограмме человека». В них появилась терминология, используемая и поныне.

В 1930-е гг. электрофизиологическая техника получила мощный импульс развития благодаря изобретению усилителей и катодного осциллографа. Это особенно повлияло на электроэнцефалографию, которая стала широко применяться в неврологической практике. Работы Г. Уолтера, Г. Джаспера и У. Пенфилда, продемонстрировали электроэнцефалографические показатели определенных видов патологии головного мозга. Пенфилд является автором концепции о центрэнцефалической системе как высшем уровне интеграции всех физиологических процессов в организме человека.

Электроэнцефалография в разных ее вариантах до сих пор остается важнейшем методом исследования функций головного мозга.

Разрешающая способность электрофизиологических методов повышалась по мере углубления представлений о механизмах биоэлектрогенеза, а это было связано с проникновением в природу проницаемости клеточных мембран для ионов. Ее связывали с ионными каналами в плазмолемме. Представление о наличии пор в оболочках живых клеток сформулировал Э. Брюкке в диссертации «Диффузия жидкостей через мертвые и живые мембраны» (1842). Позднее В. Пфейффер (1845-1920) установил, что плазматические мембраны растительных клеток обладают избирательной проницаемостью для воды и ионов. В. Оствальд (1853-1932) (Нобелевская премия по химии в 1907 г.) распространил это представление на клетки животных и создал теорию полупроницаемых мембран. На нее опирались Ю. Бернштейн, А. Ходжкин, Э. Хаксли в развитии мембранно-ионной теории биоэлектрогенеза.

Экспериментальное доказательство адекватности такого подхода к выяснению молекулярных механизмов биоэлектрогенеза было получено при помощи метода регистрации электрических токов через одиночные мембранные каналы (метод пэтч-кламп). За открытия, касающиеся функционирования одиночных ионных каналов в клетках, немецкие ученые Э. Нейер и Б. Сакман удостоены Нобелевской премии в 1991 г.

Исследования биоэлектрогенеза явились прямым путем к раскрытию тайн возбуждения - «центральной проблемы всей современной биологии», как заявил в своей Нобелевской речи Дж. Уолд, получивший высшую награду в 1967 г. вместе с Р. Гранитом и X. Хартлайном за открытие механизма цветовосприятия, кодирования зрительной информации и фотохимической реакции. После создания С. Аррениусом (1859-1927) теории электролитической диссоциации (Нобелевская премия по химии за 1903 г.) в разработке проблемы возбуждения важное место занимает изучение ионов в организме. Создавались ионные теории возбуждения, которые отчасти смыкались с концепциями биоэлектрогенеза, а в большинстве своем лежали вне их. Одну из них сформулировал в 1908 г. ученик Гельмгольца В. Г. Нернст (1864-1941), который вначале занимался физической химией и термодинамикой, за что был удостоен Нобелевской премии в 1920 г. На рубеже Х1Х-ХХ вв. он обратился к биологическим проблемам. Ему принадлежит термин «аккомодация возбудимых тканей к раздражителям».

Оригинальную ионную теорию возбуждения сформулировал П. П. Лазарев (1878-1942). В 1920 г. он создал первый в мире Институт биофизики, которая отпочковалась от физиологии в начале XX в. прежде всего благодаря разработке проблемы возбуждения. В 1916 г. американский физиолог Ж. Леб (1859-1924) написал книгу «Организм как целое с физико-химической точки зрения». Ее главным персонажем были ионы. В конце XIX в. из физиологии выделилась и биохимия, которая долгое время называлась физиологической химией. В пределах физиологии биохимия занималась, прежде всего, обменом веществ в организме. Исследования структуры и химических свойств биологических молекул занимали тогда довольно скромное место (см. подробнее гл. 3.2). Вместе с тем физиологи антивиталистической ориентации утверждали, что именно обмен веществ и энергии между организмом и окружающей средой составляет самое существо жизни.

 

3.7.3.  Биоэнергетика

 

Конкретные биоэнергетические исследования начались в последнее десятилетие XIX в. М. Рубнер (1854-1932) на базе калориметрических исследований связал теплопродукцию организма с химическими процессами, сопровождающими дыхание животных и человека. Важно, что Рубнер определил в эксперименте количественные показатели обмена веществ и энергии и обосновал пищевые рационы энергетическими потребностями организма. В. В. Пашутин (1845-1901) измерил энерготраты человека методом прямой калориметрии, изучил нарушения обмена веществ и энергии при различных формах патологии. Исследования в области биоэнергетики явились побуждающим мотивом для физиков к разработке термодинамики открытых систем, с чем связаны успехи И. Р. Пригожина, удостоенного Нобелевской премии в 1977 г. Таков путь биоэнергетических изысканий на макроуровне. Их развитие на микроуровне определяется успехами квантовой биофизики и квантовой биохимии. Они отмечены Нобелевскими премиями: О. Варбург (1931), А. Теорелль (1955), Э. Фишер и Э. Кребс (1992), П. Митчелл (1978), П. Бойер, Дж. Э. Уолкер и И. Скоу (1997). Существенный вклад в биоэнергетику внесли В. А. Энгельгардт (1894-1984), А. Сент-Дьёрдьи (1893-1986), В. П. Скулачев (см. подробнее гл. 3.2). На основе достижений квантовой биофизики и квантовой биохимии построена физиологическая концепция -электронная схема жизни.

 

3.7.4.  Физиология дыхания

 

К биоэнергетике физиология пришла в ходе анализа дыхательной функции, изучение которой связано с именами Р. Бойля, Р. Гука, А. Лавуазье (см. гл. 2.4). К XIX в. были заложены все физико-химические основы для понимания механизмов не только внешнего дыхания, но также дыхательной функции крови и тканевого дыхания. Главные вопросы, на которых сосредоточились тогда физиологи, сводились к регуляции дыхательных движений (т.е. вентиляции легких) и анализу дыхательной функции крови. Рефлекторная регуляция вдоха и выдоха не вызывала сомнений. Понятно было и эфферентное звено таких рефлексов, а вот на изучение центрального звена «навалились» более других французские физиологи: Ж. Легаллуа (1770-1814) и М. Флуранс (1794-1867). Первый из них в 1812 г. установил, что при перерезке ствола мозга ниже продолговатого дыхание останавливается, а второй более точно локализовал дыхательный центр в продолговатом мозге и назвал его «жизненным узлом» (1822). Еще более точную локализацию бульбарного отдела дыхательного центра млекопитающих осуществил Н. А. Миславский в 1885 г. Позднее были открыты вышележащие части дыхательного центра (в Варолиевом мосту, мозжечке, промежуточном мозге, коре больших полушарий). С развитием учения об условных рефлексах стали понятнее нейрональные механизмы произвольного управления дыханием.

Начало изучению афферентного звена безусловных дыхательных рефлексов положила экспериментальная работа Э. Геринга (1834-1918) и И. Брейера (1842-1925), которые расценили прекращение вдоха при электрической стимуляции головного конца перерезанного блуждающего нерва как проявление рефлекторной саморегуляции: электрическая стимуляция нерва имитировала перерастяжение легких, для прекращения чего необходим был выдох. Эта рефлекторная реакция напоминала работу клапана в паровом котле. Позднее были открыты и другие рефлексогенные зоны. Большая их часть оказалась общей для дыхательных и сосудодвигательных рефлексов (см. ниже).

Создав абсорбциометр, Сеченов, в отличие от предшественников, для анализа дыхательной функции крови не выдавливал газы из крови, а откачивал их из нее, создавая разрежение над поверхностью крови. В дальнейшем этот методический принцип использовался во всех приборах, создаваемых для газоанализа крови. Благодаря сеченовскому абсорбциометру лаборатория Людвига опередила всех в изучении газового состава крови при разных состояниях организма. В 1860 г. А. Шеффер установил содержание СО2 в крови легочных сосудов и сделал правильные выводы о механизме освобождения крови от этого газа в легких, В. Прейер в 1864 г. исследовал обратный процесс—насыщение крови углекислым газом в тканях. А. А. Шмидт определил концентрацию СО2 в эритроцитах, а Сеченов открыл неизвестную ранее форму транспорта СО2 кровью—в связи с гемоглобином (карбаминогемогло-бин). Людвиг со Шмидтом обнаружили, что работающая мышца выделяет в кровь СО2 больше, чем покоящаяся. Важно, что в пределах метрологических возможностей газоанализаторов той поры все результаты имели количественный характер. В 1865 г. Людвиг опубликовал сводку всех данных о газах крови. Она послужила плацдармом для последующих работ в этой области. Спустя полвека Я. Гендерсон (1873-1944) выстроил весь цикл превращений СО2 в крови легочных и нутритивных капилляров.

В конце Х1Х-начале XX вв. газообмен в организме наиболее успешно исследовали английские физиологи. Дж. Баркрофт в 1902 г. модифицировал сеченовский абсорбциометр. Позднее его методика была усовершенствована О. Варбургом. Дж. Баркрофт поначалу изучал газообмен изолированных органов (почки, печени, сердца). С 1902 г. он активно сотрудничал с Д. С. Холдейном (1860-1936), автором учения о регуляции дыхания при ведущей роли СО2 в регуляторных процессах. Холдейн разработал научно обоснованные режимы безопасной декомпрессии для водолазов и приемы техники безопасности для шахтеров.

Его предшественником на этом поприще был ученик К. Бернара—П. Бер (1833-1886), который по праву считается основоположником физиологии подводных погружений. В 1865-1878 гг. П. Бер выполнил систематические исследования влияния пониженного и повышенного барометрического давления на растения, животных и человека. В 1873 г. он доказал в эксперименте токсическое действие повышенного давления кислорода и описал симптомы кислородного отравления (эффект Бера), а также острого отравления углекислым газом. Бер установил наркотические и смертельные дозы закиси азота и хлороформа, изучил этиологию и патогенез горной болезни альпинистов и декомпрессионных расстройств у рабочих-кессонщиков. К сожалению, в 1882 г. Бер оставил науку ради поста министра образования Франции. Только Холдейн поднял изучение подводной физиологии на более высокий уровень и обеспечил безопасность глубоководных погружений в соответствии с требованиями технического прогресса.

В 1880-х гг. Гюфнером была построена знаменитая кривая диссоциации оксигемоглобина. В начале XX в. ее изучал X. Бор (1855-1911). В 1903-1904 гг. им был открыт сдвиг кривой вправо при гиперкапнии и ацидозе (эффект Бора). Учеником X. Бора был А. Крог, изучавший кровеносные капилляры (см. ниже). В начале века к досаде физиологов не находилось двух образцов крови человека с одинаковой формой кривой диссоциации оксигемоглобина. Нестабильность результатов мешала пониманию процессов связывания кислорода с гемоглобином. Этот недостаток удалось преодолеть Баркрофту. Он предложил термин «гипоксия» и выделил ее 4 формы, которые приняты и поныне. Им развенчана ошибочная гипотеза Дугласа и Холдейна, которую поддерживал и X. Бор, о секреции кислорода в кровь альвеолярным эпителием (вопреки концентрационному градиенту). Дж. Баркрофт сформулировал концепцию кровяных депо в организме. Его не зря называли философом физиологических наук. В стремлении построить теоретическую физиологию он в 1934 г. написал замечательную книгу «Некоторые черты архитектуры функций». Его ученик М. Перутц (1914-2002) и Дж. Кендрю (1917-1997) стали Нобелевскими лауреатами в 1962 г. за исследование структуры глобулярных белков. Развивая работы Баркрофта, они осуществили рентгеноструктурньш анализ молекул гемоглобина и миоглобина.

Клеточное дыхание изучалось биохимиками. Однако метод флуоресцентного анализа компонентов дыхательной цепи (НАД • Н и флавопротеидов) в живых тканях 1п 51Ш, который разработал Б. Чане в 1960-х гг., позволил физиологам исследовать конечную стадию дыхания, а, следовательно, и весь трехэтапный дыхательный процесс на основе единой физиологической методологии.

 

3.7.5. Физиология кровообращения

 

Сейчас система дыхания изучается в комплексе с системой кровообращения, вследствие чего довольно распространено понятие о кардиореспираторной системе организма. Однако в начале XIX в о кровообращении знали меньше, чем о дыхании.

Э. Вебер в 1855 г. экспериментально подтвердил гипотезу Дж. Борелли об обеспечении непрерывности кровотока эластичностью сосудов, но уточнил, что наибольшая роль в поддержании непрерывного кровотока принадлежит начальному отделу аорты. С тех пор артерии подразделяют на амортизирующие и резистивные сосуды, подчеркивая различие их функций. Вебер

вскрыл механизм возникновения артериального пульса и доказал, что он распространяется по стенкам артерий гораздо быстрее, чем течет кровь. Французский врач Ж. Пуазейль (1799-1869) подробно изучил особенности кровотока по артериям мышечного типа и охарактеризовал их резистивные свойства. При помощи усовершенствованного им ртутного манометра Пуазейль установил, что кровяное давление зависит от объема крови в системе кровообращения и сопротивления кровотоку, которое, в свою очередь, определяется вязкостью крови, длиной сосудистого русла и, в особенности, величиной просвета кровеносных сосудов. Изменения кровяного давления зависят от изменений диаметра сосудов в четвертой степени. Столь сильная зависимость делает артерии мышечного типа главным фактором регуляции сопротивления кровотоку, а значит, самым эффективным регулятором кровяного давления и перераспределения крови между разными органами и областями тела.

К. Людвиг и его сотрудники продолжили работы Вебера и Пуазейля. Был получен новый важный факт: давление на поверхность, перпендикулярную направлению кровотока, больше, чем на стенку артерии. При изучении регионарного кровообращения была показана зависимость кровоснабжения органов от интенсивности их метаболизма. Механизмы обмена веществ между клетками и кровью через стенку кровеносного капилляра Людвиг рассматривал как простую фильтрацию, за счет которой образуется лимфа. Р. Гейденгайн (1834-1897) в 1881 г. выступил противником столь упрощенного объяснения транспорта веществ через капиллярную стенку и механизма лимфообразования. Он нашел вещества, которые усиливали лимфообразование, не повышая давления крови в капиллярах, а даже понижая его. Так, стала возрождаться концепция биологических насосов в прежнем виталистическом варианте, чего сам Гейденгайн не желал. Его ученик Э. Старлинг разобрался в этом вопросе, количественно оценив значение каждого из процессов (фильтрации под действием гидростатического давления, осмоса за счет онкотического давления, секреторных процессов) в лимфообразовании. Нобелевская премия за 1920 г. была присуждена другому исследователю капиллярного кровотока - А. Крогу (1874-1949), которому удалось установить, что в работающем органе количество капилляров, по которым течет кровь, больше, чем в неработающем. Иными словами, организм регулирует капиллярный кровоток в зависимости от интенсивности тканевого метаболизма.

Вопросы регуляции доминировали в физиологических исследованиях системы кровообращения на протяжении последних полутора веков, причем по мере получения новых фактов разрозненные данные о местной, гуморальной и нервной регуляции складывались в четкую систему. Чуть ли не целый век шел спор о природе автоматизма сердечной мышцы. Только в XX в, пришли к выводу, что это свойство присуще типичным кардиомиоцитам, сгруппированным в определенных участках миокарда. Ранее других скоплений атипичных кардиомиоцитов были описаны образованные ими волокна в миокарде желудочков. Это сделал Я. Пуркине в 1845 г. Спустя почти полстолетия В. Гис открыл тяжи, образованные атипичными кардиомиоцитами и тянущиеся от предсердие-желудочковой перегородки к верхушке сердца. В 1906-1907 гг. были открыты атриовентрикулярный (К. Ашофф, С. Тавара) и синоаурикулярный (А. Кис, М. Флэк) узлы. Параллельно проводились физиологические исследования, в которых Г. Станниус (1808-1885) и У. Гаскелл (1847-1914) установили локализацию источника автоматизма - водителя ритма (пейсмекера) сердца. В 1902 г. М. Гейденгайн (1864-1949), сын Р. Гейденгайна, показал, что миокард представляет собой «анатомический и электрический синцитий». Этим объяснялся закон Боудича «все или ничего». Электронная микроскопия миокарда в начале 1950-х гг. развеяла было представление о нем как о синтиции, поскольку между клетками увидели непроницаемые «диски», но концепция о щелевых контактах (электрических синапсах—нексусах) между кардиомиоцитами разрешила спор в пользу М. Гейденгайна.

Среди регуляторных механизмов полнее других в XIX в. изучались эфферентные звенья безусловных сердечных и сосудодвигательных рефлексов. Братья Вебер показали, что сигналы, поступающие к сердцу по блуждающему нерву, вызывают брадикардию и ослабление сердечных сокращений. Через два десятилетия братья И. Ф. и М. Ф. Цион обнаружили тахикардию при электрической стимуляции симпатических нервов сердца. Еще через полтора десятка лет И. П. Павлов (1849-1936) нашел в грудной полости собаки отдельные стволики симпатических волокон, стимуляция которых усиливает сердечные сокращения без их учащения . В конце XIX в. Т. Энгельман (1843-1910) обнаружил противоположные влияния симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы не только на автоматизм и сократимость, но и на остальные свойства миокарда (возбудимость и проводимость).

Эфферентные влияния на гладкомышечную стенку кровеносных сосудов установили А. Вальтер (1842) и К. Бернар (1851). Бернар обнаружил расширение сосудов при их десимпатизации и сужение—при стимуляции симпатических волокон. Вскоре эти факты подтвердил Ш. Броун-Секар (1817-1894). К. Людвиг в совместной работе с фон Вашем (1872) установил участие чревных нервов, содержащих много симпатических волокон, в регуляции уровня кровяного давления.

В 1870-е гг. внимание физиологов сосредоточилось на исследованиях центрального звена вазомоторных рефлексов. Их обнаружили в спинном (К. Ф. Славянский, И. П. Павлов, Р. Николайдес) и продолговатом (Ф. В. Овсянников, К. Дитмар) мозге. В XX в. были установлены роль и иерархические отношения вышележащих структур (среднего мозга, мозжечка, промежуточного мозга, коры больших полушарий) вазомоторного центра. В 1866 г. первую рефлексогенную зону в системе кровообращения обнаружил И. Ф. Цион (1842-1912). При электрической стимуляции головного конца веточки блуждающего нерва (п. йергеззог) он наблюдал падение кровяного давления вследствие расширения периферических сосудов и ослабления сердечных сокращений. Он сравнивал этот процесс с работой клапанов в паровом котле при избыточном давлении.

Позднее были открыты и другие афферентные звенья безусловных сосудодвигательных и сердечных рефлексов. Г. Геринг (1866-1948) в 1923 г.

добился падения кровяного давления и животных при электрической стимуляции нерва (веточки языкоглоточного нерва), несущего сигналы от развилки общей сонной артерии в головной мозг. Исследования Бейбриджа (1915) показали, что рефлексогенная зона низкого давления, рецепторы которой реагируют на переполнение кровью сосудов, локализована в устьях полых вен и правом предсердии.

Кроме механорецепторных, были найдены и химиорецепторные рефлексогенные зоны сосудодвигательных рефлексов. За открытие хеморецеп-торов в каротидном и аоритальном тельцах, реагирующих на изменения содержания в крови СО2, Н+ и других веществ К. Хейманс (1892-1968) стал Нобелевским лауреатом в 1938 г. Фармакологический анализ синокаротидной зоны осуществил С. В. Аничков (1892-1981). В 40-70-х гг. XX в. В. Н. Черниговский (1907-1981) и его ученики доказали, что все ткани содержат хемо- и механорецепторы и образуют обширную рефлексогенную зону, служащую источником безусловных рефлексов, регулирующих кровообразование. В его регуляции важная роль принадлежит условным рефлексам. При сильных раздражителях сердцем и сосудами управляют также периферические рефлексы и аксон-рефлексы.

Много внимания было уделено не только нервной, но и гуморальной регуляции кровообращения. Местные механизмы управления (миогенная ауто-регуляция насосной функции сердца и тонуса сосудов, а также химическая ауторегуляция) до недавнего времени считались регуляторными системами второго эшелона, т.е. обеспечивающими реакции на сильные стимулы. Отношение к ним изменилось после того, как начались операции по пересадке сердца. Оказалось, что в стационарном режиме работы организма именно местные механизмы обеспечивают регуляцию кровообращения. Гуморальная и нервная регуляция приобретают важное значение в переходных режимах.

 

3.7.6. Физиология выделительных систем

 

В отличие от изучения кровообращения, к исследованиям регуляции системы выделения приступили только в XX в., тем более что даже основные составляющие процесса мочеобразования долго оставались неизвестными, несмотря на работы М. Мальпиги, Л. Беллини, А. М. Шумлянского (см. гл. 2.4.). Только в 1842 г. У. Боумен (1816-1892) при 300-кратном увеличении микроскопа уточнил данные Шумлянского о структуре нефрона и описал тонкую капсулу, покрывающую капиллярный клубочек и стенки полости, в которой он висит. Кроме того, Боумен сформулировал фильтрадионно-секреторную теорию мочеобразования, основываясь только на морфологических сведениях. В его объяснениях физиологических процессов все еще фигурировала «жизненная сила».

В том же году Людвиг защитил докторскую диссертацию по физиологии почек, отвергая всякое участие «жизненной силы» в мочеобразовании, целиком сводимом к физическим процессам: фильтрации крови в почечных тельцах и абсорбции этого фильтрата в канальцах. Важная роль отводилась не только гидростатическим и диффузионным, но также осмотическим силам. На протяжении всей жизни он вместе с учениками выполнил много работ по физиологии почек и стоял на своем, хотя даже в его лаборатории убеждались, что при понижении кровяного давления мочеобразование не всегда уменьшается, а может даже усиливаться. Так, по данным К. Н. Устимовича (1838-по-сле 1917), введение мочевины собакам восстанавливало у них мочеотделение после того, как оно прекращалось вследствие резкого падения кровяного давления. Параллельно с физиологическими и морфологическими работами проводились химические исследования мочи. После работ Ю. Либиха (1803-1873) анализ мочи превратился в диагностическую процедуру («моча - зеркало здоровья»), но для понимания механизмов мочеобразования он давал мало.

Оппонентом механической теории мочеобразования выступал Р. Гейденгайн. В 1883 г. он предложил секреторную теорию диуреза, считая почку железой. По его мнению, даже в почечных тельцах происходит не фильтрация, а секреция воды и солей. В канальцах же осуществляется вовсе не реабсорбция, а секреция. Аналогия с прежней концепцией У. Боумена воспринималась многими естествоиспытателями как обращение Р. Гейденгайна к «жизненной силе» для объяснения функционирования почек. Виталисты ликовали, а их противники недоумевали, как мог Гейденгайн - ученик Э. Дюбуа-Реймона, скатиться на виталистические позиции. Ученик Гейденгайна - И. П. Павлов - лучше понимал своего учителя. Он говорил, что спекуляции виталистов на гейдагеновских представлениях о механизмах мочеобразования, лимфоотделения и всасывания в желудочно-кишечном тракте «были постоянным огорчением для Гейденгайна - борца именно за физико-химическую теорию жизни».

Наряду с М. Ферворном (1863-1921) Р. Гейденгайн по праву признан основоположником клеточной физиологии, которая стала достойно развиваться только в конце XX в., а за столетие до этого многочисленные критики обеих теорий мочеобразования пришли к выводу, что необходим их синтез. Первым это сделал в 1895 г. В. Собьеранский, но активным процессом, который не подчинялся простым физико-химическим закономерностям, он считал не секрецию, а реабсорбцию. В 1917 г. появилась первая монография А. Р. Кешни (1866-1926), который строго следовал механической теории Людвига и полностью отрицал активные процессы (секрецию) в нефроне. Во втором издании этой книги (1926) он по-прежнему отрицал секреторную активность почечного эпителия, но о реабсорбции говорил примерно то же, что и Собьеранский. В таком варианте представления о механизме мочеобразования стали называться фильтрационно-реабсорбционной теорией Кешни. Она получила развитие в работах П. Б. Реберга (1926) и была признана большинством физиологов и врачей. Торжеству фильтрационно-реабсорбционной теории Кешни способствовали филигранные опыты А. Ричардса и его сотрудников в 1924 г., в которых удалось проникнуть микропипеткой в почечное тельце лягушки и определить состав внутрикапсулярной жидкости. В том же году Л. А. Орбели усовершенствовал методику И. П. Павлова, раздельно выведя на поверхность кожи каждый из мочеточников собаки. В хронических экспериментах Орбели и его ученики (А. Г. Гинецинский, Б. Д. Кравчинский) вскрыли механизмы приспособления диуреза к меняющимся условиям среды.

В 1950-е гг. фильтрационно-реабсорбционная теория мочеобразования была дополнена представлениями о том, что эпителий канальцев секретирует в канальцевую жидкость некоторые вещества (Н+, К+, пигменты мочи, па-рааминогиппуровую кислоту, высокомолекулярные чужеродные агенты), причем уровень их секреции зависит от состояния внутренней среды организма. В конце концов был достигнут компромисс между взглядами Людвига и Гейденгайна. Прогресс в изучении почек связан с развитием биомембраноло-гии. Тезисы: «Почка - мембранный орган» и «Болезни почек - болезни ее мембран» исповедуют все современные нефрологи. Результаты биофизического изучения систем активного транспорта, облегченной диффузии, пиноцитоза и других, так называемых биологических насосов (в нынешнем значении этого слова) позволили развеять туман над неопределенными токованиями активности почечного эпителия Гейденгайна и его последователей. Объяснения не потребовали выхода за рамки физико-химических закономерностей, но установили закономерности более высокого порядка по сравнению с теми, на которые опирался Людвиг. Его позиция, по словам Павлова, была «слишком ранней», поскольку она нуждалось в более высоком уровне развития физики, химии и математики.

 

3.7.7. Физиология пищеварения

 

Пищеварительная функция желудочно-кишечного тракта человека и животных исследовалась с преодолением больших трудностей. Условия острого опыта нарушали пищеварение в большей степени, чем кровообращение или дыхание. Поэтому к XIX в. представления о пищеварительном процессе оставались довольно туманными. Например, слепую кишку считали ночным желудком. Многовековая история физиологии пищеварения отмечена редкими вехами больших открытий Р. Граафа, Р. де Реомюра, Л. Спалланцани (см. гл. 2.4).

В 1822 г. американский врач У. Бомон (1785-1853), оказывая помощь раненому в живот А. Сен-Мартену, извлек из его желудка застрявшую там пулю. Однако при заживлении раны края отверстия в желудке срослись с кожей, окружавшей отверстие в передней брюшной стенке,—образовалась фистула. Уволенного из армии Сен-Мартена врач взял к себе в слуги, тем более что за незаживающей фистулой требовался постоянный уход. Бомон провел на слуге многолетние опыты и наблюдения, анализируя желудочный сок в домашней химической лаборатории и в 1833 г. издал книгу «Экспериментальные наблюдения над желудочным соком и физиологией пищеварения». Автор сделал в ней 51 утверждение о желудочном пищеварении. Из них ни одно потом не было опровергнуто. К. Бернар писал, что исследования Бомона открыли новую эру в физиологии пищеварения. Докторская диссертация самого Бернара (1844) была посвящена роли желудочного сока в пищеварении. С 1846 г. им изучались свойства сока поджелудочной железы. Для его получения использовалась серебряная канюля, вставляемая в панкреатический проток.

Однако все попытки обеспечить постоянство фистул для проведения хронических опытов оказались неудачными. Самым важным достижением Бернара в исследовании поджелудочной железы явилось доказательство ее участия в переваривании жиров. До этого ее считали абдоминальной слюнной железой, поскольку Г. Валентин (1810-1883) в 1844 г. показал, что сок, выжатый из поджелудочной железы, действует на крахмал подобно слюне, то есть обладает амилолитическим действием. Ближайший ученик Бернара -  А. Ж. Дастр (1844-1917)—установил, что без желчи панкреатический сок не расщепляет жиры. В 1876 г. В. Кюне (1837-1900) выделил основной протеолитический фермент этого сока (трипсин). В 1899 г. Н. П. Шеповальников (1872-1945) установил, что трипсиноген превращается в трипсин энтерокиназой, которую Павлов, руководитель этой работы, образно назвал ферментом фермента. Из пищеварительных протеолитических ферментов первым был открыт пепсин в 1836 г. Это открытие принадлежит Т. Шванну—создателю клеточной теории (см. гл. 3.5). Было показано, что для работы пепсина в желудке нужна соляная кислота, образование там которой В. Прут (1785-1850) обнаружил еще в 1824 г.

Бернар считал, что на поджелудочную железу нет нервных секреторных влияний, поскольку стимуляция нервов в остром опыте не оказывала сокогонного эффекта. Секреторные нервы поджелудочной железы открыл Павлов в хроническом опыте (1888).

Хронические эксперименты на органах желудочно-кишечного тракта начались после того, как хирург В. А. Басов (1812-1879) в 1842г. создал у собаки хроническую фистулу желудка, то есть искусственно смоделировал ситуацию, в которой оказался Сен-Мартен после извлечения пули из его желудка. Англичанин Л. Тири разработал методику хирургической изоляции кишечной петли с образованием фистулы на передней брюшной стенке, что обеспечило возможность хронических опытов по исследованию кишечного пищеварения, особенно после усовершенствования методики итальянцем Л. Велла. В проведении хронических экспериментов на желудочно-кишечном тракте к 1880-м гг. более других преуспел Р. Гейденгайн, который и в механизмах всасывания искал активное начало. И все же до работ Павлова не сложилась система хронических экспериментов в исследованиях пищеварения. Разрозненные сведения, получаемые разными исследователями на разных органах в неодинаковых условиях, не позволяли составить целостное представление о пищеварительном процессе.

Павлов, изобретя ряд оригинальных методик и усовершенствовав прежние операции по созданию перманентных фистул, «прорубил окна» во все отделы желудочно-кишечного тракта и исследовал процесс пищеварения не по частям, а целиком на здоровых животных - без боли и наркоза. Добиться своей цели Павлову помогли выдающиеся хирургические способности. И если при изучении кровообращения он уточнил некоторые детали, то физиологию пищеварения он всю перестроил. Павлов в 1904 г. первым из физиологов получил Нобелевскую премию. Она была присуждена ему в знак признания его работ по физиологии пищеварения. Наиболее последовательным

продолжателем исследований Павлова в области физиологии пищеварения стал Б. П. Бабкин (1877-1950). В павловских лабораториях изучалась не только секреторная, но и моторная (двигательная) активность желудочно-кишечного тракта.

Сам Павлов выше всех исследователей этой проблемы ставил У. Кеннона. Буквально через год после открытия К. Рентгеном Х-лучей Кеннон начал использовать их для изучения механизма перемещения пищевого комка по пищеводу. Однако увидеть пищевод на фоне других тканей оказалось практически невозможно. Тогда Кеннон стал добавлять в пищу азотнокислый висмут, непроницаемый для рентгеновых лучей. Здесь лежат истоки клинической гастроэнтерорентгенологии. Результаты гигантской работы были изложены в монографии «Механические факторы в пищеварении» (1911). До Кеннона венский физиолог Г. Натнагель (1898) выделил два типа движений кишечника: перистальтические и маятникообразные. Кеннон углубил и расширил эти представления. Он выяснил особенности двигательных процессов в каждом из отделов желудочно-кишечного тракта от жевания и глотания до акта дефекации. На протяжении всей жизни Кеннон изучал моторику желудочно-кишечного тракта и свою последнюю работу на эту тему опубликовал в 1936 г.

Дальнейшие достижения физиологии пищеварительной системы связаны с успехами биомембранологии. Из них едва ли не самым значимым является открытие в 1958 г. А. М. Уголевым (1926-1991) пристеночного (мембранного) пищеварения.

 

3.7.8. Проблема целостности организма

 

Павлов утверждал, что всякий процесс познания должен гармонично сочетать анализ и синтез. Он писал, что с привлечением синтеза к изучению функций организма естествоиспытатели «приобрели для могучей власти физиологического исследования вместо половинчатого весь нераздельно животный организм... Синтез, широко примененный ко всему организму как новый метод, окажет великую помощь будущим физиологическим исследованиям... Цель синтеза - оценить значение каждого органа с его истинной и жизненной сторон, указать его место и соответствующую ему меру». Вот почему Павлов считал своим духовным наставником Бернара с его концепцией нервизма. Кеннон также следовал заветам Бернара, обратив внимание на его концепцию о динамическом постоянстве внутренней среды высших животных как необходимым условием их свободной жизни в агрессивной внешней среде.

К 1930-м гг. физиология обогатилась фактическими данными о внутренней среде организма. Среди них важное место занимали исследования как клеток, так и внеклеточных жидкостей в составе крови, лимфы, ликвора, а также органов их продукции и разрушения. Унитарная теория гемопоэза, впервые сформулированная Н. В. Усковым в 1890 г. и доказанная А. А. Максимовым в начале XX в. стала подтверждением силы синтетического метода познания. Следуя ему, Г. Ф. Ланг (1875-1948) предложил в 1939 г. объединить в единую «систему крови» периферическую кровь, органы кроветворения и кроверазрушения, а также аппарат регуляции состава крови. К. Ландштейнер (1868-1943) в 1901 г. открыл группы крови человека (Нобелевская премия за 1930 г). Но переливание крови стали безопасными только после того, как к открытым им трем группам системы АВО Я. Янский (1873-1921) добавил в 1903 г. четвертую группу, а сам Ландштейнер вместе с А. Винером открыл в 1940 г. резус-фактор. Открытие Ландштейнера базировалось на успехах иммунологии, основоположником которой являются И. И. Мечников и П. Эрлих (см. гл. 3.4). Оборотной стороной механизмов защиты внутренней среды организма оказалась анафилаксия, в суть которой проник Ш. Рише (1850-1935), награжденный Нобелевской премией в 1913 г.

Рише оказал сильное влияние на Кеннона в начале XX в., когда тот переосмысливал концепцию Бернара о внутренней среде высших животных. Кеннону поначалу показалось парадоксальным высказывание Рише (1900) о том, что биологическая система может противостоять агрессивной внешней среде только потому, что она построена из нестойких веществ, которые непрерывно распадаются и созидаются вновь по своему образу и подобию. Своеобразным симбиозом подобных идей и концепций Бернара стало учение Кеннона о гомеостазисе, изложенное в его книге «Мудрость тела» (1932). В те же годы аналогичные представления развивали творцы термодинамики открытых систем, формируя понятие их стационарного состояния. К концу XX в. термодинамика объяснила глубинный смысл выгоды гомеостазиса для живых систем. Учение о гомеостазисе оказалось одним из мощных истоков кибернетики. Ученик Кеннона мексиканский физиолог А. Розенблюм (1900-1970) по окончании II Мировой войны привлек к работе в физиологической лаборатории Национального института кардиологии (Мехико) Н. Винера, занимавшегося до этого математикой и автоматикой (созданием систем противовоздушной обороны). Результатом их дискуссий стало рождение кибернетики. И не зря первая книга Винера о ней называлась: «Кибернетика (управление и связь в животном и машине)». Дата ее опубликования (1947) считается годом рождения новой науки.

Физиология давно рассматривала системы управления (регуляции) в качестве механизмов приспособления биологических систем к внешней среде. «Что, собственно, есть в факте приспособления?» - спрашивал И. П. Павлов участников XIV Международного медицинского конгресса в Мадриде (1903). И отвечал: «Ничего... кроме точной связи элементов сложной системы между собою и всего их комплекса с окружающей обстановкой... Анализ этого уравновешивания системы и составляет первейшую задачу и цель физиологических исследований». Такой анализ предполагал исследование гуморальной и нервной регуляции функций организма.

 

3.7.9. Эндокринология

 

В гуморальной регуляции важнейшая роль принадлежит эндокринной системе, хотя не с нее началось развитие представлений об управлении жизненными процессами при помощи химических веществ. Начиная с Гиппократа, в медицине рождались и умирали варианты гуморальных теорий патологии, но только в XIX в. они стали подвергаться экспериментальному анализу. Термин «внутренняя секреция» появился в работах К. Бернара, но адресовался вовсе не эндокринной системе в ее теперешнем понимании. В 1857 г. он обнаружил, что печень наряду с выделением желчи в кишечник (внешней секрецией), о чем знали со времен Г. Бурхааве (1668-1738), поставляет в кровь глюкозу, образующуюся там из гликогена. В 1930-1940-е гг. супруги К. Кори (1896-1984) и Г. Кори (1896-1957) детально изучили процесс гликолиза, открытый К. Бернаром (см. гл. 3.2). Поступление глюкозы в кровь К. Бернар назвал внутренней секрецией печени. Примечательно, что и термин «гормон» вошел в физиологию не при изучении эндокринных желез, а в связи с открытием влияния секретина на внешнюю секрецию поджелудочной железы, обнаруженного в 1902 г. У. Бейлиссом (1860-1924) и Э. Старлингом (1866-1927). В 1904 г. У. Харди назвал секретин гормоном. Вместе с тем морфологи давно описали и зарисовали большинство эндокринных органов и предполагали, что они выделяют в кровь какие-то вещества. И. Мюллер называл их «кровяными железами».

В середине XIX в. обратили внимание на давно известные бытовые факты пагубного влияния кастрации животных и людей не только на детородную функцию, но и на обмен веществ («метаморфоз», как тогда говорили), что приводило к глубоким изменениям вторичных половых признаков. Экспериментальное доказательство связи этих нарушений с отсутствием мужских половых желез представил немецкий физиолог А. Бертольд (1803-1861), пересадив в 1849 г. кастрированному петуху семенники. У подопытной птицы восстанавливались как первичные, так и вторичные половые признаки. В 1888 г. Ш. Броун-Секар (1817-1894) ввел себе экстракт семенников животных и испытал недолгий эффект омоложения. Есть сведения, что подобной процедуре он подвергал своих друзей с их согласия. Именно Броун-Секар ввел термин «железы внутренней секреции».

Еще в XIX в. предполагали, что сахарное мочеизнурение (диабет) связано с патологией островкового аппарата поджелудочной железы. В 1901 г. Л. В. Соболев (1876-1919) доказал, что ее экстракт влияет на углеводный обмен, и предложил использовать этот экстракт для лечения диабета. В 1916 г. Э. Шарпи-Шефер (1850-1935) предложил называть инсулином вещество, выделяемое в кровь островками Лангерганса и содержащееся в экстракте поджелудочной железы. Однако тогда не удалось выявить это вещество, хотя в начале XX в. начали открывать секреты эндокринных желез (инкреты). В 1901 г. Дж. Ленгли сообщил, что вещество, выделяемое в кровь надпочечниками, вызывает такие же биологические эффекты, как и стимуляция симпатических нервов. В том же году Е. Такамине получил этот инкрет в кристаллическом виде и назвал его адреналином.

В 1909 г. Э. Кохера (1841-1917) наградили Нобелевской премией за многолетние исследования щитовидной железы и успешные операции на ней, а спустя пять лет - Э. Кендалл (1886-1972) выделил из щитовидной железы гормон и назвал его тироксином. За тридцать лет до Кендалла Н. А. Бубнов (1851-1884) выявил в этом органе группу белковых тел и назвал их тиреопротеинами, но их функция была ему неведома, В 1926 г. был осуществлен синтез тироксина. Позднее открыли трийодтиронин, оказавшийся более активным гормоном, чем тироксин (тетрайодтиронин). Успехи в физиологических и клинических исследованиях щитовидной железы привели к рождению новой науки - эндокринологии.

Следующим важным шагом в ее развитии явилось выделение инсулина из тканей поджелудочной железы канадским физиологом Ф. Бантингом (1891-1941) и его студентом Ч. Вестом в лаборатории Д. Маклеода (1876-1935). Благодаря огромной клинической значимости открытия инсулина как средства лечения диабета Бантинг и Маклеод стали Нобелевскими лауреатами в 1921 г. В 1925 г. получили кристаллический инсулин, а в 1955 г. английский биохимик Ф. Сенгер (р. 1918) установил первичную структуру инсулина свиней и крупного рогатого скота (см. гл. 3.2).

В 1930-1940-х гг. удалось открыть гормоны коркового вещества надпочечников; кортизол, кортикостерон, 17-гидроксикортикостерон, а также дезоксикортикостерон. Из перечисленных, три являются глюкокортикоидами, а последний - минералокортикоидом. Глюкокортикоиды угнетают катехол-о-метилтрансферазу, активирующую процесс разрушения нор адреналин а. Важными биологическими эффектами глюкокортикоидов являются глюко-неогенез, а мин ер алокортикоидов - регуляция реабсорбции ионов в почечных канальцах. За выделение и определение химической структуры гормонов коры надпочечников Э. Кендалл (1886-1972) и Т. Рейхштейн (1897-1996) стали в 1950 г. Нобелевскими лауреатами. С ними эту премию разделил Ф. Хенч (1896-1965) за клиническое применение глюкокортикоидов в качестве противовоспалительного средства. Основанием для лечебного использования гормонов коры надпочечников послужило учение об адаптационном сидроме Г. Селье (1907-1982), который на основании своих экспериментов назвал глюкокортикоиды противовоспалительными, а минералокортикоиды - прововоспалительными гормонами.

В 1930 г. П. Смит установил стимулирующее влияние на корковое вещество надпочечников экстракта передней доли гипофиза. Позднее идентифицировали действующее начало такого экстракта - адренокортикотропный гормон (кортнкотропин). За счет усиления продукции глюкокортикоидов он стимулирует глюконеогенез и поэтому является функциональным антагонистом инсулина. За открытие роли гормонов передней доли гипофиза в метаболизме глюкозы аргентинец Б. Усай (1887-1971) стал в 1947 г. Нобелевским лауреатом.

В 1955г. Э.Шалли (р. 1926) установил, что продукция кортикотропина, в свою очередь, стимулируется экстрактом гипоталамуса. В конце 1950-х гг. он и Р. Гиймен (р. 1924) выделили из этой вытяжки несколько веществ, каждое из которых управляло выбросом в кровь из передней доли гипофиза определенного гормона: кортикотропина, тиреотропина, гонадотропинов, а также соматотропного гормона. Названные исследователи из США разделили между собой Нобелевскую премию в 1977 г. Э. Шалли предложил называть физиологически активные вещества, продуцируемые гипоталамусом для управления эндокринной функцией передней доли гипофиза, рилизинг-факторами (рилизинг-гормонами). Они оказались низкомолекулярными пептидами. Так, кортикотропин-рилизинг-гормон содержит 41 аминокислотный остаток, а тиреотропин-рилизинг-гормон всего три аминокислотных остатка. Соматостатин, угнетающий продукцию соматротропина (гормона роста), выделенного в 1944 г. Г. Эвансом и К. Ли, состоит из 14 аминокислотных остатков. П. Мари (1853-1940) еще в 1886 г. установил, что причиной акромегалии служит патология гипофиза. Позднее выяснилось, что это обусловлено гиперсекрецией соматотропного гормона.

За работы по выделению из задней доли гипофиза вазопрессина и окситоцина с последующим синтезом последнего В. дю Виньо (1901-1978) был удостоен Нобелевской премии по химии в 1955 г. Было доказано, что задняя доля гипофиза не продуцирует гормоны, а является хранилищем физиологически активных веществ (тоже низкомолекулярных пептидов), синтезируемых гипоталамическими нейронами. В 1975 г. Хьюз открыл способность нейронов продуцировать морфиноподобные пептиды (эндорфины и энкефалины).

Данные о рилизинг-гормонах, вазопрессине, окситоцине и других пептидах, синтезируемых и выделяемых нейронами, укрепили представление о нейросекреции, которое развивалось в физиологии трудами Дальгрена (1914), Шаррера (1928), Шаррераи Баргманна (1930-е гг.). В 1946 г. Русси и Мосенже предложили называть нейроэндокринологией новый раздел эндокринологии.

В том же десятилетии второе дыхание обрела концепция тканевых гормонов, под которыми понимают физиологически активные вещества (регуляторы), выделяемые не специализированными железами внутренней секреции, а клетками различных тканей. Было обнаружено множество гормонов желудочно-кишечного тракта, причем они оказывали действие не только на процессы пищеварения. Кроме того, тождественные им вещества продуцировались и другими органами, включая головной мозг. Физиологические данные нашли опору в морфологической концепции APUD-системы, разработанной в 1960-1980 гг. А. Пирсом и Дж. Полаком.

Особое место в исследованиях тканевых гормонов принадлежит работам, в которых были открыты факторы роста (эпидермальный, нервный, инсулиноподобный, тромбоцитарный, эндотелиальный). Затем обнаружили вещества, родственные факторам роста (интерлейкины, фактор некроза опухолей). Внимание к этим открытиям привлекла прежде всего их медицинская направленность (решение проблем регенерации поврежденных тканей, с одной стороны, и онкороста - с другой). Первооткрыватели факторов роста— Р. Леви-Монтальчини и С. Коэн (Нобелевские лауреаты 1986 г.).

Еще меньшей органоспецифичносгью обладают простагландины, выделенные из тканей С. Бергстремом (р. 1916) в 1950-е гг. За 20 лет до этого У. фон Эйлер (1905-1983) выделил из бараньей спермы вещество, вызывающее сокращения матки, и назвал его простагландином, поскольку оно содержалось в экстракте предстательной железы. С. Бергстрем показал, что существует два простагландина. В 1970 г. Б. Самуэльсон (р. 1934) установил, что простагландины образуются из ненасыщенных жирных кислот, главным образом, из арахидоновой, которая имеет четыре двойные связи в углеводородной цепочке из 22 атомов углерода. Такие кислоты входят в состав фосфолипидов, образующих каркас любой биологической (клеточной) мембраны. Следовательно, простагландины синтезируются не только в предстательной железе, айв клетках всех органов. Из-за нестойкости простагландины оказывают только местные регуляторные влияния. Самуэльсон исследовал последовательность преобразования всех веществ простагландиновой системы (их оказалось гораздо больше двух) и нарисовал «простагландиновое древо» имеющее две главные ветви: 1) циклических эндопероксидов и 2) лейкотриенов, Д. Вейн (р. 1927) создал метод, позволявший параллельно исследовать биологические эффекты нескольких веществ. В таких работах удалось выяснить механизм действия жаропонижающих и противовоспалительных веществ. Бергстрем, Самуэльсон и Вейн удостоились Нобелевской премии в 1982 г.

Такую же награду в 1998 г. получили Р. Фурчготт (р. 1916), Л. Игнарро (р. 1941) и Ф. Мюрад (р. 1936) за открытие роли окиси азота как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе. Животные синтезируют N0 из аргинина в эндотелиальных клетках. Окись азота быстро распадается (период полураспада около трех секунд), но успевает продиффундировать из эндотелиальных в соседние гладкомышечные клетки кровеносного русла и расслабить их. В результате понижается артериальное давление крови, увеличивается органный кровоток, предотвращается тромбообразование. Кроме того, N0 синтезируется макрофагами, использующими его для уничтожения поглощенных бактерий, и лейкоцитами, которые с его помощью подавляют онкорост. Такие местные регуляторы как N0 и простагландины не относятся к гормонам, но обеспечивают местную химическую регуляцию физиологических процессов.

Вторая половина XX в. ознаменовалась очень важным событием в эндокринологии - открытием молекулярных механизмов действия гормонов на клетки. Стероидные гормоны проникают в цитоплазму, из нее - в клеточное ядро, оказывая воздействие на генетический аппарат. В отличие от них, пептидные и аминные гормоны воспринимаются мембранными рецепторами, благодаря чему активируют в клетке системы вторичных посредников, первым из которых был открыт циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Открытие принадлежит Э. Сазерленду (1915-1974), который после десятилетних исследований понял, что посредством повышения в клетке уровня цАМФ свой эффект на нее оказывают адреналин и другие пептидные и аминные гормоны. Важность его открытия состоит еще и в том, что теперь физиологи и биохимики нашли общий язык в понимании регуляции физиологических процессов. Учение о внутриклеточных сигнальных системах более четко, чем прежде, позволило разрабатывать проблему единой нервно-гуморальной регуляции физиологических процессов.

 

3.7.10. Нейрофизиология

 

В XIX в. физиологи исследовали преимущественно рефлекторную регуляцию вегетативных функций животных. Развивая рефлекторную теорию Р. Декарта, Ф. Мажанди и К. Бернар сформировали концепцию нервизма, согласно которой все функции организма управляются нервной системой по механизму рефлекса. В рефлекторных дугах, обеспечивающих такую регуляцию вегетатикой и соматикой, физиологи устанавливали топографию и локализацию афферентного, центрального и эфферентного звеньев.

Наибольшие успехи сопутствовали в ту пору исследователям эфферентного звена. В 1801 г. М. Биша ввел термин «вегетативная нервная система». В течение XIX в. физиологи посредством методов разрушения и электростимуляции выявили почти все основные проводники нервных влияний на вегетативные процессы во внутренних органах. Вегетативная нервная система рассматривалась как система «непроизвольной иннервации». На рубеже XIX-XX вв. пришло время нового обобщения многочисленных фактов. Наибольший вклад в это внесли У. Гаскелл (1847-1914) и Дж. Ленгли (1852-1925). Последний представил в 1911 г. современную конструкцию вегетативной нервной системы с ее двумя отделами (симпатическим и парасимпатическим) и двухнейронным эфферентным звеном вегетативных рефлексов.

В 1923 г. Л. А. Орбели (1882-1958) и А. Г. Гинецинский (1895-1962) установили влияние симпатической нервной системы на скелетные мышцы, но не пусковое, присущее анимальной (соматической) нервной системе, а адаптационно-трофическое. В школе Орбели была открыта роль мозжечка в регуляции вегетативных процессов, в их согласовании с двигательной активностью животного. А. В. Тонких выявила влияние вегетативной нервной системы на трофические процессы в головном мозге. Она развивала концепцию Кеннона о симпатико-адреналиновой системе, сформулированную им в 1915 г. Начало изучению эфферентного звена соматических рефлексов положили факты, на основании которых родился закон Белла-Мажанди. Позднее стало ясно, что эфферентные волокна идут к скелетным мышцам в составе не только передних спиналъных корешков, но и некоторых черепно-мозговых нервов. Об афферентных звеньях рефлексов физиологи узнавали по мере изучения чувствительных нервных окончаний и нервных проводников, которым они принадлежат. Об открытии основных рефлексогенных зон речь шла при рассмотрении работ по регуляции кровообращения, дыхания, пищеварения и других функций. Большим подспорьем служили достижения нейроморфологии.

К началу XX в. накопился большой материал о сегментарном аппарате центральной нервной системы, тогда как об ее надсегментарном аппарате, внутрицентральных и межцентральных отношениях знали мало. К. Людвиг утверждал, что применять к изучению мозга основные методы физиологического эксперимента той поры (разрушение и стимуляцию) равносильно исследованию часового механизма, ударяя по часам молотком. Помогли достижения нейроморфологии, электрофизиологии, а также хронические эксперименты. В первую очередь следует отметить выдающийся вклад в успешное исследование центральной нервной системы С. Рамона-и-Кахала (1852-1934).

Усовершенствовав метод импрегнации нервной ткани солями серебра, предложенный К. Гольджи (1844-1926), Кахал открыл отростки нервной клетки (дендриты и аксон) и в 1894 г. создал учение о нейроне как структурно-функциональной единице нервной системы. В 1906 г. Кахал и Гольджи стали первыми Нобелевскими лауреатами среди морфологов.

Нейронная теория Кахала стала антитезой теории ретикулярной организации нервной системы (Гольджи, Ниссль, Бете, Апати и другие). В микромире, казалось бы, хаотического переплетения отростков нервных клеток Кахал разглядел порядок и красоту. Морфолог, глядя в микроскоп и думая, создал функциональную концепцию, которой так не хватало физиологам—приверженцам рефлекторной теории. Он сформулировал принцип динамической поляризации нейрона: распространение возбуждения имеет определенную направленность - от аксона предыдущего нейрона к телу и дендритам следующего, от них - к его аксону и далее на следующий нейрон. Кроме того, Кахал создал учение о дегенерации и регенерации нервной ткани (1913-1914 гг.), изучил развитие нервной ткани в онтогенезе.

В лаборатории Кахала осваивал морфологические основы неврологии Ч. Шеррингтон (1857-1952). Следуя учителю, он понял, что нейроны не объединены в синцитий, а соединены один с другим посредством контактов. Их Шеррингтон в 1897 г. стал называть синапсами. Ими нейроны объединяются в нервные центры. Изучая преимущественно спинной мозг, Шеррингтон установил основные свойства нервных центров и механизмы их координации. В 1904 г. он прочитал студентам Иельского университета цикл лекций и затем изложил лекционный материал в книге «Интегральная деятельность нервной системы» (1906 г.). Лейтмотив книги—нервная система своей интегрирующей деятельностью обеспечивает приспособление организма к окружающей среде и единство действия всех его частей.

К основным принципам координации рефлекторной деятельности центральной нервной системы Шеррингтон отнес принципы реципрокности, общего конечного пути, субординации нервных центров и обратной афферентации. Первые два из них открыл Н. Е. Введенский (соответственно в 1896 и 1898 гг.). Его ученик А. А. Ухтомский (1875-1942) сформулировал в 1911 г. пятый принцип—принцип доминанты.

Открытие свойств нервных центров и механизмов их координации позволило заглянуть внутрь «черного ящика», чем являлось центральное звено рефлекторных дуг при прежних исследованиях рефлекторной регуляции физиологических процессов. Шеррингтон разделил Нобелевскую премию в 1932 г. с Э. Эдрианом (1889-1977), который сумел зарегистрировать электрическую активность отдельных нервных волокон и тем самым познать «язык» общения нейронов между собой. Такая возможность появилась после введения в практику электрофизиологических исследований электронного усилителя и электронно-лучевой трубки, изобретенных в 1920-е гг. Д. Эрлангер и Г. Гассер начали применять в физиологии катодно-лучевой осциллограф в 1922 г. а Э. Эдриан - в 1925 г. Электрофизиологические методы изучения мозга уже не сравнивали с ударом молотка по часам. Эдриан показал, что для одиночного волокна справедлив закон «все или ничего», а К. Лукас (1879-1916) пытался распространить закон «все или ничего» на одиночный миоцит скелетной мышцы, для чего едва ли не первым из физиологов применил электронную технику, но его преждевременная кончина остановила исследования. До логического конца Эдриан их довел, но не на миоцитах, что было сделано позже, а на нейронах.

В тело нейрона микроэлектрод первым ввел Д. Экклс (1914-1997), ученик Шеррингтона, в 1951 г. Это явилось следующим шагом в изучении нервных центров, и Экклс в 1963 г. получил Нобелевскую премию. В его лаборатории освоили микроэлектродную технику П. Г. Костюк (р. 1924 г.) и А. И. Шаповалов (1932-1983). Костюк поднял в Киеве на высочайший уровень нейрофизиологию и электрофизиологию, а Шаповалов разобрался во взаимоотношениях химических (медиаторных) и электрических синапсов между нейронами. В его работе электрофизиологический метод сочетался с принципами эволюционной физиологии, основоположником которой был Орбели. Она нашла развитие в трудах его учеников и последователей: X. С. Коштоянца (1900-1961), А. Г. Гинецинского, Е. М. Крепса (1899-1985), В. А. Говырина (1924-1994), А. И. Карамяна (1908-1989), В. Л. Свидерского (р. 1932), Ю. В. Наточина (р. 1932).

Исследования синапсов, выполненные Шаповаловым, очень важны для понимания функционирования нервных центров, поскольку оно определяется свойствами, как нейронов, так и синапсов. Ч. С. Шеррингтон считал, что синаптическая передача имеет электрическую природу. В 1920-1930-е гг. Г. Дейл (1875-1968) и О. Леви (1873-1961) установили, что в синаптической передаче сигнала с нервных окончаний блуждающего нерва и симпатических волокон на кардиомиоциты, а также с нейрона на нейрон в ганглиях вегетативной нервной системы участвуют химические вещества (медиаторы). Дейл и Леви в 1936 г., а Б. Кац (р. 1911), У. фон Эйлер (1905-1983) и Д. Аксельрод (р. 1912) в 1970 г. удостоены Нобелевских премий за открытие медиаторов в различных синапсах. Нобелевская премия 1974 г. была присуждена также исследователю синапсов - Дж. Палад (р. 1912), который под электронным микроскопом изучил ультраструктуру синапсов с химической (медиаторной) передачей. Первыми открытыми медиаторами были ацетилхолин и норадрена-лин. В дальнейшем их список пополнился рядом других вещества (серотонин, пурины, ГАМК и т.д.). Среди них в центральной нервной системе важную роль играет дофамин (допамин). За выявление его участия в регуляции движений, а также в обеспечении памяти А. Карлсон (р. 1923), П. Грингард (р. 1925) и Э. Кэндел (р. 1929) стали Нобелевскими лауреатами в 2000 г.

Из-за успеха в изучении химической передачи возбуждения в синапсах гипотеза об электрической синаптической передаче долгое время оставалась в тени. Внимание к ней усилилось после доказательства такой передачи между кардиомиоцитами и открытия там нексусов, которые создаются щелевыми контактами. Шаповалов установил, что в центральной нервной системе присутствуют синапсы как с химической, так и с электрической передачей.

Первые обеспечивают точную, строго адресную передачу, а вторые - генерализованную, очень быструю.

На основе знаний о механизмах функционирования нервных центров исследования роли структур головного и спинного мозга в регуляции физиологических процессов стали более целеустремленными и плодотворными. Детальному изучению подверглись надсегментарные аппараты не только вегетативных, но и соматических процессов. Р. Магнус (1873-1927) и А. де Клейн (1883-1949) установили механизмы поддержания позы животным и человеком в условиях земного притяжения. Была выявлена конкретная роль каждого из отделов центральной нервной системы как части надсегментарного аппарата в обеспечении «установки тела» в пространстве. Эти двигательные рефлексы Магнус подразделил на статические и статокинетические.

В 1950-1960-е гг. активно изучалась функция ретикулярной формации ствола мозга. Г. Мэгун (р. 1907) и Дж. Моруцци (р. 1910) установили ее восходящие (активирующие) влияния на кору головного мозга и нисходящие - на спинной мозг. Большой вклад в изучение физиологической роли ретикулярной формации внес П. К. Анохин (1898-1974). Результаты экспериментов на ретикулярной формации заставили по-новому взглянуть на механизмы сна, бодрствования, наркотического состояния. В стволе мозга изучались также давно известные жизненно важные центры. Например, в бульбарном отделе дыхательного центра Р. Баумгартен в 1956 г. выявил два типа нейронов: инс-пираторные и экспираторные, находящиеся в реципрокных отношениях. Ими управляет вышележащий (в Варолиевом мосту) отдел дыхательного центра—пневмотаксический центр, открытый в 1960-е гг. Т. Лумсденом.

В 1948 г. увидела свет книга «Функциональная организация промежуточного мозга». Ее автором был В. Хесс (1881-1973), показавший, что промежуточный мозг способен осуществлять не простые, а многокомпонентные, генетически детерминированные типовые поведенческие реакции. В них тонко координируются соматические и вегетативные рефлексы. Выдающимся предшественником Хесса на ниве исследования функций подкорковых структур головного мозга в формировании сложных эмоциональных реакций с соматическими и вегетативными компонентами был В. М. Бехтерев (1857-1927). Он показал также, что функционирование передней центральной извилины коры головного мозга служит основой индивидуально приобретенных движений. В наблюдениях за больными и в опытах на животных Бехтерев подтвердил и расширил результаты классических экспериментов Ф. Гольца (1834-1902), которому удалось в 1881 г. удалить у собаки большие полушария головного мозга и после операции в течение 18 месяцев наблюдать за ее поведением. Бесполушарная собака утрачивала все навыки, приобретенные в течение предшествующей жизни.

Р. Сперри (1913-1994) в опытах на обезьянах разобщал у них левое и правое полушария головного мозга посредством комиссуротомии. Сопоставляя результаты опытов с наблюдениями за людьми, Сперри пришел к выводу о функциональной асимметрии полушарий головного мозга. Левое полушарие является центром абстрактного мышления и логического анализа, выполняет ведущую роль в управлении поведением, тогда как правое - осуществляет осознание пространственных соотношений, опознание изображений, различение звуков, то есть обеспечивает конкретное мышление. Сперри стал Нобелевским лауреатом в 1981 г.

Многие физиологи XX в. исследовали лимбические структуры головного мозга, взаимоотношение подкорковых центров и коры больших полушарий. П. В. Симонов (1924-2002) сформулировал информационную теорию эмоций. К.В. Судаков (р. 1932) исследует участие коры и подкорки в формировании мотиваций, разрабатывает нейрофизиологическую концепцию голода, аппетита, насыщения с позиций теории функциональных систем. Теория функциональных систем была сформулирована Анохиным для объяснения элементов неопределенности в детерминизме условно-рефлекторных реакций.

В начале XX в. Павлов изобрел объективный физиологический метод изучения психических процессов, которые прежде не были предметом физиологического исследования. Физиологи оставались в плену декартовского психофизиологического параллелизма (дуализма). Их трех сфер проявления жизнедеятельности человека (вегетатика, соматика и психика) только первые две исследовались физиологами. Павлов не мог примириться с такой ограниченностью физиологического анализа целостного организма и создал физиологию высшей нервной деятельности. Ее судьба оказалась нелегкой. Большой вред ей нанесли не только гонители, но и догматичные последователи. Однако время все расставило на свои места. Павловское учение успешно развивали и развивают его последователи в нашей стране и за ее пределами.

Наряду с условно-рефлекторными механизмами существуют и генетически детерминированные программы поведенческих актов. В ответ на пусковой раздражитель возникает не элементарная, а сложная многокомпонентная реакция. Согласно представлениям новой науки этологии, инстинкт представляет собой не цепь безусловных рефлексов, а реализацию целостной, наследуемой программы поведения, хранящейся в мозге, но заторможенной до тех пор, пока не подействует определенный стимул. В 1973 г. «за открытия и использование на практике моделей индивидуального и группового поведения» К. фон Фриш (1886-1982), К. Лоренц (1903-1989), Н. Тинберген (1907-1988) были удостоены Нобелевской премии.

В связи с изучением поведения (ВНД) животных Павлов в 1912 г. сформулировал понятие об анализаторе взамен органа чувств. На протяжении веков органами чувств, считались периферические части анализаторных систем организма. Однако уже И. Мюллер вынужден был внести в свойства органов чувств некоторые дополнения и поправки, обусловленные активным участием мозга в анализе поступающей к нему информации. В качестве примера можно привести установленные им различия между геометрическим и физиологическим гороптером в пространственном зрении. В XX в. эта тенденция укрепилась: исследовались сенсорные процессы как в периферической, так и в проводниковой и центральной частях всех анализаторов. Однако во второй половине ушедшего века большее распространение получил термин сенсорная система, а не анализатор.

В физиологии зрения начало века ознаменовалось математическим анализом теории рефракции и аккомодации Гельмгольца. За работу «по диоптрике глаза» А. Гульстранд (1862-1930) был удостоен в 1911 г. Нобелевской премии. Р. Гранит (1900-1991) доказал верность трехкомпонентной теории цветового зрения. В 1940-е гг. он усовершенствовал электрофизиологические методики анализа афферентной импульсации в нервных волокнах и показал, что сетчатка содержит три типа колбочек, каждый из которых избирательно реагирует на определенный участок спектра солнечного излучения. Дж. Уолд (1906-1997) в 1950-е гг. подтвердил данные Гранита посредством биохимического анализа. Кроме того, ему удалось понять механизм фотоизомеризации и темновых реакций сетчатки, детально исследовать родопсин. X. Хартлайн (1903-1983) в 1920-1930-е гг. успешно проанализировал электрическую импульсацию в одиночных волокнах зрительного нерва, обеспечивающую передачу сигналов от фоторецепторов к центральной части зрительного анализатора. Он разобрался в принципах кодирования интенсивности светового стимула. В 1950-е гг. Хартлайн доказал в электрофизиологических экспериментах существование в сетчатке латерального торможения, открытого в 1930-е гг. А. В. Лебединским (1902-1965). Латеральное торможение усиливает контраст и улучшает зрительное восприятие формы и движения. Нобелевскую премию за успешные исследования центральных механизмов зрения получили в 1981 г. Д. Хьюбел (р. 1926) и Т. Визел (р. 1924). Они установили, что клетки зрительной коры собраны в колонки и в пределах каждой колонки выполняют одинаковые функции по считыванию информации, содержащейся в импульсном сигнале, поступившем от фоторецепторов.

Колонковый принцип организации центральной части анализатора был распространен на слуховую сенсорную систему. Что же касается функционирования ее периферической части, то работы Г. фон Бекеши (1899-1972) разрешили спор между резонансной теорией Гельмгольца и телефонной теорией Резерфорда в пользу первой. Бекеши представил колебательную систему внутреннего уха как систему, в которой колебание распространяется как бегущая волна. Местоположение амплитуды такой волны определяется высотой звука. В 1961 г. Г. фон Бекеши стал Нобелевским лауреатом.

Успехи в изучении химиосенсорных систем скромнее, чем в исследованиях зрения, слуха и других механосенсорных систем, хотя в 1914 г. лауреатом Нобелевской премии стал Р. Барани (1876-1936) за работу по физиологии и патологии вестибулярного аппарата. На самом же деле он исследовал не весь вестибулярный аппарат, а только полукружные каналы. Исследования вестибулярного аппарата достигли больших успехов в рамках авиационной и космической физиологии. Это направление развивалось в 1930-1970 гг. трудами Л. А. Орбели, В. Парина, О. Г. Газенко и др.

 

* * *

В истории физиологии много имен. Из них трудно выделить даже десяток самых выдающихся. Однако при постройке в 1958 г. нового здания физиологической лаборатории в Лейденском университете - колыбели

современных физиологии и медицины—в стене по сторонам главного входа скульптор О. Векенбах высек четыре фигуры: англичанина В. Гарвея, француза К. Бернара, немца А. Бертольда и россиянина И. П. Павлова. Они держат в своих руках соответственно сердце, печень, петуха и головной мозг.

 

Литература

Карлик Л. Н. Клод Бернар. - М.: Наука, 1964.

 Меркулов В. Л. Альбрехт Галлер, - Л.: Наука, 1981.

Самойлов В. О., Мозжухин А. С. Павлов в Петербурге-Ленинграде, - Л.: Лениздат, 1989.

Чеснокова С. А. Карл Людвиг. -  М.: Наука, 1973.

 Ярошевский М. Г., Чеснокова С. А. Уолтер Кеннон. - М.: Наука, 1976

 

3.8. Экология и биосфера

 

Возникновение экологии как науки о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой, а также об организации и функционировании надорганизменных систем от популяционно-видового до биосферного уровней относится к концу XIX в. Сам термин «экология» предложил Э. Геккель в труде «Всеобщая морфология организмов» (1866), он же очертил круг задач этой дисциплины. Определение Геккеля звучало так: «Экология изучает физиологические отношения организмов со средой и друг с другом». Но сам Геккель не занимался конкретными экологическими исследованиями.

В 1877 г. К. Мебиус (1825-1908), изучая пути повышения продуктивности устричного хозяйства на побережье Северного моря, предложил термин «биоценоз». Свои наблюдения над сообществом сидячих животных он сформулировал в небольшой книжке «Устрицы и устричное хозяйство». Во второй половине XIX в. география растений все больше интересуется не просто географическим распространением отдельных видов, но физическими и химическими причинами такого, а не иного их распространения, их группировкой в различного рода «ассоциации» или «формации», а также классификацией этих двух последних.

Дилеммой новой науки было ее «двойное происхождение». Создателями экологии были, с одной стороны, полевые ученые: лимнологи, зоо- и фитогеографы, с другой - лабораторные исследователи, физиологи растений и животных. Первые зачастую работали как натуралисты, в рамках «старой» описательной биологии и мыслили понятиями линневской «экономии природы». Вторые же были носителями новой лабораторной науки, стремившимися смоделировать «природу» в лаборатории или вынести «лабораторию» (хотя бы некоторые ее инструменты) в природу. Разумеется, история экологии знает примеры совмещения описательной деятельности ботанико-географа и экспериментатора, каким был В. Н. Сукачев.

В связи с тем, что эти две области исследований не всегда тесно соприкасались, в 1896 г. швейцарский ботаник К. Шретер предложил понятия «аутэ-кология» и «синэкология». В рамках аутэкологии физиологи вели исследования о влиянии абиотических факторов на растения и животные. Во многих экологических исследованиях вплоть до 1950-х гг., по удачному выражению А. М. Гилярова, господствовал аутэкологический редукционизм. Правда, дарвиновская методология постепенно стимулировала и накопление фактов о конкуренции, хищничестве или паразитизме. В первой половине XX в. синэкология была сферой деятельности, в основном, ботаников, а зоологи просто постулировали, что животная сукцессия следует за растительной. Однако во второй половине столетия зоологи всерьез занялись изучением ценозообразу-ющей роли своих объектов.

К началу XX в. термины «экология», «сообщество», «биоценоз» и пр. стали употребляться все чаще. Выходит ряд монографий и учебников, в названиях которых звучит слово экология («Методы исследования в экологии» Ф. Клементса, 1905; «Руководство к изучению экологии животных» Ч. Адамса, 1913). Во втором десятилетии происходит институализация новой науки. В 1913 г. было создано Британское экологическое общество, в 1915 г. - Американское, начинают издаваться их журналы. В первой половине века были предложены многие важнейшие термины и понятия, сформулированы основные концепции, выработаны методические подходы для экспериментальных и полевых исследований. Практически одновременно сложились две парадигмы современной экологии: популяционная и экосистемная.

 

3.8.1. Квазиорганизм и экосистемная экология

 

В экологию метафора о сходстве организма и сообщества входит, по-видимому, с легкой руки Г. Спенсера («Социальный организм», 1860). Одним из первых обоснований концепции сообщества стала статья С. Форбса «Озеро как микрокосм» (1887).

Г. Каулс (1869-1939), вдохновленный работой Е. Варминга (1841-1924) о сменах растительности на океанических дюнах (1887), описал дюны озера Мичиган (1899). Эта работа была смесью тщательных наблюдений и умозрительных спекуляций. Растительные сообщества дюн Каулс организовал в серии. Маленькие дюны намываются на побережье. Некоторые из них стабилизируются благодаря поселению на них растений, которые далее укрепляют песок. Дюна и «ее» растительное сообщество формируют симбиотические связи, ив течение нескольких сотен лет развиваются вполне предсказуемым способом.

Однако самым ярким представителем холистического подхода в экологии считается Ф. Клементе (1874-1945). Растительному сообществу как квазиорганизму, имеющему свой квазионтогенез - сукцессию, посвящена центральная работа Клементса - «Растительная сукцессия: анализ развития растительности» (1916). Сукцессия, как и онтогенез, явление направленное и необратимое: она начинается с заселения растениями безжизненных субстратов вплоть до образования устойчивых растительных сообществ—климаксов. Для каждой климатической зоны характерен свой климакс; позднее теория климатического моноклимакса была смягчена различными дополнениями: субклимаксами, трофическими климаксами и т. п. Классификация растительности Клементса строилась на динамическом факторе.

Несмотря на широкую и обоснованную критику, клементсовская микропарадигма много дала современной экосистемной экологии. Основными заслугами Клементса считаются: введение в экологию точных методов количественного анализа («Методы исследования в экологии», 1905); динамический подход к изучению экосистем; в соавторстве с зоологом В. Шелфордом Клементе предпринял одну из первых попыток объединить экологию растений и животных в монографии «Биоэкология» (1939). На работах группы Клементса базируется «менеджмент» аридных и семиаридных пастбищ в США Возможно, именно крайняя «холистичность» Клементса помогла его критикам создать парадигму современной «экосистемной экологии».

С критикой Клементса связано появление в 1920-х гг. концепции индивидуальности сообществ и видов Г. Глизона. В России независимо сходные идеи были высказаны Л. Г. Раменским. По мнению этих авторов, границы распространения различных растительных видов (и временные, и пространственные) в градиенте экологического фактора не зависят друг от друга, что лишает представления о сукцессиях и сообществах всякого смысла. В 1920-е гг. эти идеи остались незамеченными научным сообществом и были возрождены лишь в 1950-е гг. в работах Дж. Т. Кертиса, Р. Уитеккера и многих других исследователей. Конкуренция внутри естественных сообществ, смена фитоценозов в пространстве и во времени стала изучаться с позиций «индивидуалистической гипотезы».

Британский ботаник-философ, создатель и многолетний президент Британского экологического общества, в 1920-х гг. сторонник, а позднее критик Клементса А. Тэнсли (1871-1955) в 1935 г. ввел понятие «экосистема», которое в дальнейшем стало одним из центральных в экологии. Как и многие другие экологи того времени, Тэнсли проводил аналогии между биологическим сообществом и человеческим обществом. Экосистема Тенсли не была объектом классификации и картирования, это был объект изучения функциональных связей, вне зависимости от ее масштабов и замкнутости границ.

В 1940 г. в обзоре последних работ Клементса Э. Хатчинсон заметил, что если сообщество - это квазиорганизм, то оно должно иметь свой квазиметаболизм. Изучение функциональных связей внутри сообщества (в первую очередь, трофических) стало главной задачей экосистемной экологии 1940-1960-х гг.

 

3.8.2. Математические и экспериментальные методы

в популяционной экологии

 

1920-1940-е гг. называют «золотым веком» популяционной экологии. Их также можно назвать периодом синэкологического редукционизма и интегратизма. Обе парадигмы хорошо дополняли друг друга. При редукционистском подходе исследователь работал с парой видов (конкуренция, хищничество, паразитизм), абстрагируясь от других факторов и создавая свой микрокосм. Исследования начинались как теоретические, а затем следовали эксперименты, проверяющие математические модели.

Уже в начале XX в. была предпринята попытка создать количественные модели популяционных процессов. Р. Росс (1857-1932) в 1908 и 1911 гг. при помощи дифференциальных уравнений анализировал распространение малярии (см. гл. 3.4). Он выявил условия заражения здорового человека малярийным комаром (Нобелевская премия 1902 г.). Распространение малярии определяется двумя общими процессами, которые протекают одновременно: число новых инфицированных среди людей зависит от числа инфицированных комаров; в то же время заражение комаров связано с числом людей, обитающих в данной местности. Эти зависимости Росс выразил в математической форме.

Логистическое уравнение или 8-уравнение Ферхюльста (см. 2.3), было переоткрыто в 1920-е гг. Р. Перлем и его сотрудником Л. Ридом при изучении роста населения США. Перль предложил модель, согласно которой скорость роста популяции (dN/ Ndt) по мере увеличения численности популяции (М) снижается линейно, вплоть до нуля при достижении состояния равновесия (К). Графически получается Зюбразная кривая, выходящая на плато при N = К. Перль и Рид не только предложили демографическую интерпретацию кривой, но использовали ее в экспериментальных исследованиях по изучению биологических свойств особей в условиях перенаселенных культур Drosophila melanogaster. Интерес к работам Перля резко возрос за последнее десятилетие в связи ростом населения и перенаселением в ряде стран. Выводы Перля о поведении насекомых в перенаселенных культурах стали использоваться при создании моделей человеческого поведения.

Возможно первой работой, построенной на комбинации математических методов и эксперимента, была работа Р. Чэпмана (1928), который ввел представления о биотическом потенциале и сопротивлении среды. В опытах с малыми мучными хрущаками (Tribolium) он продемонстрировал, как при различном запасе пищи достигается различная численность популяции. Важными были математические работы чешско-американского физико-химика А. Лотки (1880-1949) и итальянского математика В. Вольтерра (1860-1940). Почти одновременно в 1925 и 1926 гг. и независимо друг от друга они при помощи кинетических дифференциальных уравнений описали процессы межвидовой конкуренции, хищничества и паразитизма. Анализ уравнений, в которых скорость роста численности вида зависит от плотности взаимодействующих видов, привел к заключению о полном вытеснении одного из видов, конкурирующих за общий ресурс при отсутствии других лимитирующих факторов.

Некоторое время Лотка работал в лаборатории Перля в университете Дж. Гопкинса (Балтимор). В это время там работал профессор Московского университета В. В. Алпатов, с которым они подружились. По возвращению в Москву, Алпатов «заразил» своего студента Г. Ф. Гаузе (1910-1986) идеями Перля и Лотки. Гаузе начал проверку логистической кривой Ферхюльста-Перля на дрожжах и инфузориях.

Результаты оказались даже более точными, чем в экспериментах Перля на дрозофиле. Одна из моделей Лотки-Вольтерра предсказывала, что в процессе взаимодействия в системе «хищник-жертва» должны происходит периодические синусоидальные колебания, определяемые исключительно внутренними биологическими свойствами компонентов экосистемы. Создав экспериментальный аналог из популяции двух видов инфузорий – Paramecium aurelia (жертва) и Didinium nasutum (хищник). Гаузе показал, что вслед за резким ростом численности жертвы резко возрастала численность хищника, который выедал популяцию жертв и сам вымирал. Колебаний удалось добиться благодаря усложнению экологической обстановки, когда для жертв создавали «убежища» (стеклянные трубочки). Часть жертв «пряталась», часть хищников погибала; после этого шел процесс восстановления численности жертв. Эта модель Лотки-Вольтерра послужила отправной точкой для многих других исследований, в которых усложнялась экологическая обстановка.

Другая модель Лотки-Вольтерра, предсказывающая, что два вида, конкурирующие за один и тот же ресурс, не могут длительное время сосуществовать, была проверена Гаузе в экспериментах с дрожжевыми клетками, бактериями и инфузориями. Конкурентное вытеснение было продемонстрировано на видах Paramecium caudatum  и Р. aurelia при кормлении их одним видом бактерий. Эти эксперименты Гаузе трактовал как успех математической экологии и начал искать аналоги в природе. Природный аналог дал бы возможность полностью замкнуть цикл: теория – эксперимент - реальность. Наблюдения А. Н. Формозова над четырьмя видами крачек, живущих одной колонией, но питающихся разной пищей и на разном расстоянии от берега, позволили сформулировать принцип Гаузе: два вида, принадлежащие к одной нише не могут длительное время сосуществовать. Вскоре пошла лавина публикаций по проверке закона Гаузе, который повлиял на развитие теории экологической ниши и изучение нишевой структуры сообщества. Вместе с математиком А. А. Виттом Гаузе в рамках нишевых представлений рассмотрел случаи конкуренции, мутуализма, коменсализма и симбиоза. Их совместная статья (1935) прямо повлияла на многие последующие теоретические исследования, включая работы Э. Хатчинсона.

Благодаря математическим моделям важнейших экологических процессов и методике их проверки в экспериментальных условиях и природных ситуаций экология стала приобретать статус зрелой науки.

 

3.8.3. Популяционная биология растений

 

В начале 1920-х гг. В. Н. Сукачев (1880-1967) и А. П. Шенников (1888-1962) выступили с программными работами по экспериментальной фитоценологии. Программа Сукачева включала изучение влияния абиотических и биотических факторов на динамику численности популяций и конкурентных взаимоотношений между видами. Предложив изучать популяционные процессы на основе взаимодействия методов экологии и генетики, Сукачев фактически решал проблемы совершенно новой сферы исследований - экологической генетики.

В опытах с одуванчиком было доказано, что мелкие биотипические различия вполне достаточны, чтобы определить исход внутривидовой конкуренции. На ивах обыкновенной и пурпурной была исследована межвидовая конкуренция и условия, при которых происходит вытеснение одного вида другим. Во всех опытах Сукачев использовал методику клонирования, что служило надежным условием постановки эксперимента в генетически чистом варианте. Программа популяционных исследований Сукачева последовательно развивалась в течение многих лет им самим, его коллегами и учениками. В 1960-1980-е гг. она была успешно продолжена В. Г. Карповым с сотрудниками, а также шотландской школой популяционных ботаников Дж. Харпера, который и назвал ее «популяционной биологией растений».

 

3.8.4. Развитие концепции экологической ниши

 

Термин «ниша» впервые был употреблен Р. Джонсоном в 1910 г. Он использовал его при описании распространения видов бабочек в условиях ограниченности пищи и лимитирующего действия абиотических факторов. В широкий оборот «ниша» вошла в литературу после публикаций Дж. Гринелла (1917) и Ч. Элтона (1927). Гринелл не предложил четкого определения ниши и использовал этот термин в разных и, даже в противоположных, смыслах.

Элтон использовал термин более строго, предложив функциональную концепцию ниши и выдвинув на первый план трофические связи. Изучив сообщество арктического общества, он генерализовал схему пищевых цепей, замкнув ее в цикл (сеть). Важную связь между численностью и размером хищников и жертв, которая лимитирует длину трофической цепи, Элтон назвал пирамидой чисел. Пищевой цикл - регуляторный механизм равновесия сообществ. Немаловажным является тот факт, что регулятор этот несовершенен, а миграции и эпидемии - спасательные клапаны сообществ. Конкуренция также может быть рассмотрена как квазифизиологическая функция, стабилизирующая сообщество. После того как Гаузе включил понятие ниши в трактовку принципа конкурентного исключения, последний используется для определения ниши.

В 1941-1944 гг. Э. Хатчинсон изложил гипотезу о конкурентном контроле видового разнообразия в озерах и определил нишу как сумму всех средовых факторов, воздействующих на организм. Позднее она была определена им как область N-мерного гиперпространства и сравнивалась с фазовым пространством в статистической механике. Гиперобъем, определяемый физиологическими и аутоэкологическими факторами, в пределах которых вид может выжить и размножаться, назван Хатчинсоном «фундаментальной нишей». Синэкологическую нишу, соответствующую условиям, в которых вид реально существует в природе, он назвал реализованной нишей.

По мере освоения экологами методов статистики, идеи многомерной ниши стали воплощаться в реальные исследования. Например, герпетолог Т. Шенер в 1974 г. проанализировал 81 случай сосуществования близких видов животных. Оказалось, что трех, а иногда и двух факторов бывает достаточно для разделения ниш близких видов. Шенер выявил, что наиболее часто наблюдается расхождение видов в пространстве, затем идет пища и время активности животного.

Концепция многомерной ниши Хатчинсона получила конкретное применение в трудах его ученика Р. Мак-Артура (1964) по изучению нишевой структуры сообщества. Под нишевой структурой сообществ обычно понимают описание взаимодействий видов между собой и средой обитаний при помощи концепции экологической ниши. Еще в 1946 г. Элтон предложил свою модель нишевой структуры животных сообществ, которая основывалась на принципе, что два вида, принадлежащие к одному роду, не могут сосуществовать в одном сообществе. Эта работа было раскритикована, а идея - похоронена. И лишь в 1964 г. Р. Мак-Артур и Р. Левине предложили «рабочую» модель: число конкурирующих видов в сообществе не может быть больше числа ограничивающих их ресурсов.

Спустя два года Р. Левине и Р. Мак-Артур выдвинули концепцию «зернистости» среды. Среда считается «мелкозернистой», если разные участки местообитания (или типы ресурсов) используются видом в тех пропорциях, в которых они встречаются в природе. Если одни участки используются видом, а другие нет, то среда является «крупнозернистой». Идеи школы Хатчинсона-Мак-Артура получили дальнейшее развитие в трудах А. М. Гилярова с сотрудниками в 1970-1980-е гг. На основе кластер-анализа они разработали проблемы классификации местообитаний по распределению организмов. Было предложено изъять представление о «свободных» нишах, так как нишевая структура сообществ есть результат его развития.

 

3.8.5. Эколого-ценотические стратегии

 

Развитие синэкологии (фитоценологии) связано с изучением ценотического значения отдельных компонентов растительных сообществ. Г. Н. Высоцкий (1915) и И. К. Пачоский (1917) при изучении степей различали две группы растений: основные, постоянно существующие и временно занимающие промежутки между дерновинами злаков. В 1920-х гг. лидер франко-швейцарской школы фитосоциологов Дж. Браун-Бланке предложил пять типов стратегии: эдификаторы, консерваторы, консолидаторы, нейтралисты, деструкторы.

После этого на некоторое время интерес к проблеме на Западе угас. Л. Г. Раменский (1884-1953) в 1930-е гг. предложил термин «фитоценотип», чтобы обозначить три жизненные стратегии растений: виоленты, патиенты, эксплеренты. Виоленты - мощные конкурентные агрессоры, способные захватить территорию, удержать ее и подавить соперников. Патиенты выживают за счет выносливости в экстремальных условиях. Эксплеренты - виды слабые в конкурентном отношении, но обладающие способностью к быстрому размножению и всегда способные захватить освободившиеся территории. Все, что предлагалось последующими авторами, так или иначе уже содержалось в системе Раменского.

Классификация Раменского практически не обсуждалась в эколого-популяционной литературе. Ситуация изменилась лишь в 1967 г., когда зоологи Р. Мак-Артур и Е. Вилсон в знаменитой книге «Островная биогеография» предложили классификацию в виде r- и К-отбора, вызвавшую взрыв публикаций. Две стратегии рассматривались как крайние, между которыми существует континиум. Названия стратегий заимствовано из параметров логистического уравнения. Первый тип стратегии характеризует виды с высокой скоростью размножения, которые получают преимущество при инвазиях. Второй тип свойственен видам, которые постоянно живут в условия сильной конкуренции и их выживание связано не с «числом, а с умением». Так, зоологи заставили ботаников вернуться к старой тематике. В 1970-е гг. английский ботаник Дж. Грайм выделил три типа стратегий (конкуренты, стресстолеранты и рудералы), практически повторив классификацию Раменского. Проблематика, связанная с изучением жизненных стратегий, оказалась живучей и актуальной.

 

3.8.6. Трофо-динамическая концепция экосистем

 

«Экология животных» Ч. Элтона, переизданная 11 раз, его концепция ниши и трофических связей недалеко ушла от естественной истории. Но эта работа вдохновила многих исследователей, сделавших следующий шаг к абстрактной экологии. Э. Хатчинсон увлекался кибернетикой (в его исследованиях сообщество часто выступало как «черный ящик») и биогеохимией (с подачи сына В. И. Вернадского). В 1935-1950 гг. Хатчинсон и его студенты изучали историю, продуктивность и биогеохимию маленькой, относительно ограниченной системы—небольшого озерка. Была получена сигмоидная кривая роста продуктивности, интерпретированная как отражение общего роста биоценоза. Хатчинсон экстраполировал результаты исследований маленькой, относительно простой системы на всю биосферу. Он ввел в экологию принцип негативной обратной связи. Логика хатчиновской «системы циклических и обратных причинных связей в экологии» соединяла кибернетические концепции 1940-х и математическую экологию 1920-х гг.

Трофическая динамика Элтона прослеживала перемещение еды по живым компонентам сообщества. Школа Хатчинсона разделяла вещество и энергию. Почему число трофических уровней в пищевой цепи обычно ограничено четырьмя - пятью? Элтон ответил на этот вопрос в терминах размера и числа организмов. В 1942 г. ученик Хатчинсона Р. Линдеман решил проблему более элегантным способом, сведя ее к физическому объяснению в терминах энергии: энергия каждого трофического уровня не может быть полностью извлечена организмами более высокого. Формулировка Линдемана позволила сравнивать продуктивность одного и того же трофического уровня в разных экосистемах; изучать эффективность преобразования энергии при перемещении ее с одного уровня на другой. Элтон предположил, что все экосистемы имеют общий план строения; Линдеман предложил путь количественного изучение этого общего плана.

В 1930-х гг. крупные достижения в изучении трансформации вещества и энергии в озерах были достигнуты на Косинской лимнологической станции под Москвой в рамках «балансового подхода». Исследованиями руководил Л. Л. Россолимо. На Косинских озерах в 1932 г. Г. Г. Винберг применил метод «темных и светлых склянок», позволявший точно определить величину первичной продукции. Работа Винберга удивительно проста и красива. С определенной глубины бралась проба воды, с организмами зоо- и фитопланктона и разливалась в герметически закрывающиеся склянки. Одна склянка было светлой, а вторая—темной, не пропускающей свет. Склянки опускали на глубину, где бралась проба, и держали там сутки. После этого их поднимали и в каждой определяли содержание растворенного кислорода. В светлой склянке проходило дыхание всех организмов и фотосинтез фитопланктона; в темной же - только дыхание.

В 1954 г. на атолле Эниветок братьям Е. и Г. Одумы могли проверить построения Хатчинсона и Линдемана. Одумы предположили, что риф сходен с рекой, а океанические течения образуют «входящий поток» перед рифом и «исходящий» после рифа. Одновременные измерения количества растворенного кислорода до и после рифа использовались для оценки общего метаболизма. Измерения показали, что сообщество имеет небольшой положительный баланс, и Одумы сделали заключение, что экосистема находится в состоянии климакса. На основе усовершенствованных методик, использованных на Эниветоке, Г. Одум создал детальную и точную схему энергетических потоков и круговоротов вещества в экосистеме. Другие исследования 1950-х гг. (Дж. Тил, Ф. Голли, Л. Слободкин и др.) также способствовали тому, что энергетические потоки стали центральной областью экологических исследований.

Начиная с 1950-х гг. популяционная экология и экосистемный подход развиваются параллельно с математическими, экспериментальными и полевыми методами. Между ними наметились взаимодействия, так как оказалось, что показатели, полученные при изучении синэкологических взаимодействий в экосистеме, легко можно перевести в показатели продуктивности экосистемы. Этот путь исследования был продемонстрирован В. Г. Карповым в 1970-е гг. при изучении экосистем южной темнохвойной тайги.

 

3.8.7. Концепция природной очаговости трансмиссивных

заболеваний

 

Одним из важнейших направлений экосистемной экологии стала концепция о трансмиссивной зависимости между возбудителем эпидемического заболевания, переносчиками и хозяевами этих возбудителей. В последней четверти XIX в. колониальная политика привела европейскую науку к знакомству с новыми заболеваниями человека и животных, вызываемыми паразитическими организмами. Вспышки эпидемий малярии, желтой лихорадки, сыпного и возвратного тифов уносили десятки и сотни тысяч жизней.

Возникла задача раскрыть способы передачи возбудителей паразитарных болезней. При ее решении соединились вопросы медицины, вирусологии, зоологии, паразитологии и биоценологии. Ключ к разгадке находился в использовании экосистемных подходов.

Вначале было установлено, что переносчиками возбудителей паразитарных болезней являются членистоногие. Это сделали англичане: паразитолог П. Мансону и военный врач Р. Росс, изучавшие пути распространения и способы передачи возбудителя малярии (см. гл. 3.4). В дальнейшем в разработке «малярийной проблемы» и в установлении ее экосистемной природы активно участвовали микробиологи И. И. Мечников и Н. Ф. Гамалея, энтомологи и зоологи Н. М. Кулагин, Г. А. Кожевников, И. А. Порчинский, врач-гигиенист О. В. Фавр.

К середине 30-х гг. XX в. большинство специалистов, разрабатывавших концепцию трансмиссивной зависимости, пришли к выводу, что в основе системы «паразит-хозяин» лежат трехчленные пищевые связи, разрыв которых препятствует распространению трансмиссивной болезни. Главной целью исследований становилось раскрытие пищевых связей переносчика возбудителя данной болезни, в том числе выяснение круга его основных хозяев. Эта проблематика стала особенно актуальной в нашей стране, где 1930-е гг. началось ускоренное строительство промышленных объектов и расширение сельскохозяйственных угодий, связанных с перемещением масс населения на необжитые территории. В дальневосточной тайге, степях и пустынях Средней Азии вспыхивали эпидемии паразитарных заболеваний. Тем самым социально-экономические изменения способствовали широкому распространению болезней. Их изучение и разработка эффективных мер борьбы с ними связаны с именами Л. А. Зильбера и Е. Н. Павловского, а также их ближайших учеников и последователей (А. П. Чумакова, В. А. Соловьева и др.).

Внедряя комплексный экспедиционный метод в исследования неизвестных болезней в местах их распространения, Л. А. Зильбер и Е. Н. Павловский доказали существование постоянных очагов тяжелых паразитарных инфекций в природных условиях вне зависимости от присутствия человека. Такой «природный очаг» включал в себя возбудителей трансмиссивной болезни, его специфического переносчика и диких животных - постоянных «доноров» или «резервуаров» возбудителей. Подобные природные очаги, например, были выявлены для клещевого энцефалита в дальневосточной тайге, для клещевого возвратного тифа в Таджикистане. Специфическими переносчиками возбудителей болезней являлись, как правило, насекомые и клещи. Роль доноров или резервуаров возбудителей могли выполнять разные виды млекопитающих и птиц. Замкнутая система природного очага существовала долго на территориях, неосвоенных людьми. Их появление способствовало разрыву сформировавшихся эколого-паразитологических систем, отдельные члены которых заменялись. Место животного-донора занимал человек, который в момент укуса членистоногим получал от него возбудителя и заболевал. Далее членистоногие-переносчики передавали возбудителя от больного человека к здоровому в процессе кровососания. Так развивалась эпидемия, которая всегда оказывалась приуроченной к определенному ландшафту.

Учение о природной очаговости дало медикам метод распознания природно-очаговых инфекций, позволило разработать меры борьбы с ними и открыло возможность для прогноза их образования. Во второй половине XX в. на основе этого учения английские паразитологи открыли природные очаги таких грозных заболеваний как болезнь Чагаса, инфекции трипанозом в Америке и сонной болезни в Африке. Разработка трансмиссивной зависимости на экосистемном уровне ярко демонстрирует собой путь от научной гипотезы до практики по спасению сотен тысяч человеческих жизней.

 

3.8.8. Учение о биосфере

 

В число основных уровней организации живого принято включать и биосферный. Современная трактовка биосферы была предложена В. И. Вернадским в 1920-х гг. Биосфера - это поверхностная оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Он сформулировал представления об энергетических и геохимических функциях биосферы, предложил геохимическую трактовку борьбы за существование и попытался количественно оценить общую продуктивность живого вещества в биосферы и его преобразующее воздействие на литосферу, атмосферу и гидросферу.

Идеи биосферы учитывались в работах по геохимической экологии и в оценках общей продуктивности биосферы, ее биомассы. На труды Вернадского ссылались не только экологии Э. Хатчинсон, М. М. Камшилов, В. Н. Сукачев, Е. М. Лавренко, но и представители других областей биологии (например, физиолог А. М. Уголев). Были предприняты попытки создать теорию эволюции биосферы. В 1990 гг. в штате Аризона США была сооружена громадная модель «Биосфера-2», включавшая в качестве структурных элементов основные экосистемы Земли. Выполнено громадное количество работ, в которых пытались определить участие организмов в образовании минералов, в миграции химических элементов и т. д. Тем не менее, эти исследования не велись в рамках какой-то парадигмы, применимой именно к биосферному уровню организации жизни. В то же время считается, что система рационального взаимодействия биосферы и человечества возможна лишь при условии сохранения биоразнообразия и биотического круговорота, обеспечивающих воспроизводство всех основных ресурсов.

 

Литература

Вайнер Д. Экология в Советской России. Архипелаг свободы: заповедники и охрана природы. -М.: Прогресс, 1991.

Галл Я. М. Г. Ф. Гаузе: эколог и эволюционист. - СПб.: Альманах, 1997.

Гиляров А. М. Экология в поисках универсальной парадигмы.  Природа. 1998. № 3. С. 73-82.

Колчинский Э. И. Эволюция биосферы. Историко-критические очерки исследований в СССР.-Л.: Наука, 1990.

Новиков Г. А. Очерки истории экологии животных. - Л.: Наука, 1980.

Очерки по истории экологии. - М.: Наука, 1970.

Работное Т. А, История фитоценологии. - М.: Аргус, 1995.

Чеснова Л. В. Проблемы общей энтомологии. Развитие трансмиссивной теории, - М.:

Наука, 1974.

Эгертон Э. Развитие концепции баланса природы//Историко-биологические исследования. - М., 1978. Вып. 6. С. 54-96.

 

3.9. Биоразноообразие и мегатаксономия

 

В наше время, когда исследования живого на молекулярном уровне захватили, чуть ли не всю биологию, известная доля научного сообщества стала смотреть на систематику - прежнюю царицу биологических наук - как на реликт прежних веков. Если следовать этой логике, то к отжившим знаниям вместе с систематикой придется отнести фаунистику и флористику, биоценологию и ландшафтоведение, биогеографию и палеобиологию, а также другие дисциплины, где основной биологической единицей во всех оценках остается вид. Неверно было бы думать, что к началу XXI в. все виды описаны и классифицированы. Описаны и имеют научные названия менее половины из них, а среди бактерий, вирусов и грибов систематикой не охвачено свыше 80% видов. Иногда считается, что нам известны только десятые доли процента существующих микроорганизмов. До сегодняшнего дня велик разброс мнений в отношении границ и объемов высших таксономических категорий.

К осознанию фундаментального значения систематики в решении как теоретических, так и сугубо практических задач сегодняшнего дня побуждает катастрофическое состояние природной среды. Без точной идентификации, учета числа и состава видов невозможно оценить снижение биоразнообразия, разрушение экосистем, появление новых возбудителей и переносчиков инфекционных заболеваний. Неясно, как поведут себя те 80% неизвестных науке видов в условиях глобальной экологической катастрофы. Эти вопросы и роль систематики в их разрешении стали осознаваться только к концу XX в., когда произошли коренные изменения в техническом оснащении, методике и концептуальных обобщениях в изучении биоразнообразия. Систематика, опирающаяся на данные молекулярной биологии, генетики, биохимии, экологии и этологии, превратилась в одну из наиболее динамически развивающихся наук.

Практическое значение систематики обусловлено освоением животных и растительных ресурсов планеты. Многие виды, ранее казавшиеся незначительными для человека, стали исключительно важными для хозяйственной деятельности. Их число непрерывно растет в области здравоохранения, защиты растений и животных, сельского, лесного и промыслового хозяйств, что требует уточнения их систематического положения.

 

3.9.1. Муки теоретической систематики

 

Филогенетическая систематика и построение филогенетических древ. К началу 40-х гг. XIX в. геологи и палеонтологи установили временную последовательность окаменелых останков животных и растений, но продолжали придерживаться креационистских и катастрофистских воззрений (см. гл. 2.2 и 2.7). Вскоре после опубликования эволюционной теории Ч. Дарвина интересы большинства систематиков сосредоточились на филогенетических исследованиях. Связи между таксонами стали изображаться в виде «древ», которые были призваны отразить генеалогические отношения между организмами. Одним из основателей и страстным пропагандистом филогенетического направления в систематике был Э. Геккель (см. гл. 3.8). В «Общей морфологии животных» (1866) он построил «обобщающее филогенетическое древо» органического мира, разделив его на три царства: протестов, животных и растений. Эти царства Геккель рассматривал как самостоятельные стволы. Все формы, относящиеся к одному стволу (типу), считались потомками общего, «первичного организма». В основание родословного «древа» животных были помещены «монеры» - воображаемые доклеточные, безъядерные организмы. Далее следовали первичные одноклеточные («амебы»), клеточные колонии («мореады») и полые шары («бластеады»). Образование многоклеточности, по Геккелю, было связано с появлением гипотетической гастреи. Последующими ступенями эволюционного развития были черви, первичнохордовые, бесчерепные, круглоротые, хрящевые и двоякодышащие рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, сумчатые, полуобезьяны, собакоголовые и человекоподобные обезьяны, наконец, обезьяноподобные люди. Геккелевская система содержала много неточностей и откровенных спекуляций. Абсолютизируя данные эмбриологии, он, вместе с тем, в онтогенезе видел лишь пассивное отражение филогенеза.

Тем не менее этот труд стимулировал многочисленные попытки построить естественные классификации животных на принципах их генеалогии. К началу XX в. сложились основные направления в разработке зоологических систем, расходившиеся, во-первых, в оценке систематического значения таких эмбриональных особенностей как способы образования дефинитивного рта и вторичной полости тела (целома), и, во-вторых, в различном толковании природы тех групп двусторонне-симметричных животных (Bilateria), которые лишены целома. Наибольшее распространение получили системы Б. Гатчека (1888,1911) и К. Гроббена (1908), в которых Bilateria  были четко поделены на две ветви – первично - и вторичноротых. Однако попытки совместить филогенетическое древо с удобными определительными таблицами закончились неудачей.

В один год с книгой Геккеля была опубликована первая филогенетическая (по замыслу автора) классификация растений Э. Краузе (1839-1903). В своей «Ботанической систематике» он выделил 18 филогенетических рядов, никак не связанных между собой и расположенных произвольно. В 1868 г. появилась классификация Ю. Сакса (1832-1897), в которой три из пяти выделяемых групп растений были разнородны и искусственны. Вскоре для построения филогенетической систематики растений стали использоваться сведения биогеографии. Многотомный труд «Естественные семейства растений» (1887-1907), в котором участвовали крупнейшие ботаники мира, базировался на филогенетической системе А. Энглера (1844-1930).

На страницах ботанических, зоологических и палеонтологических трудов выросли бесчисленные филогенетические древа, где главным критерием сближения систематических групп была степень их морфологического сходства. Они не были аргументированы ни экологически, ни физиологически. Это вызывало скепсис со стороны биологов-экспериментаторов, считавших систематику реликтом описательной науки.

Эволюционная систематика. Одновременно с филогенетической систематикой возникла систематика эволюционная, также вызванная к жизни теорией Дарвина и получившая опору в трудах эволюционных морфологов и палеонтологов от В. О. Ковалевского (1842-1883) до И. И. Шмальгаузена (1884-1963). В отличие от Геккеля В. О. Ковалевский сконцентрировал внимание на палеонтологических доказательствах эволюции. Изучая ископаемых копытных, он заложил основы палеоэкологии. Он доказал комплексную детерминацию макроэволюции, подтвердил принцип дивергентной эволюции и показал наличие параллелизмов в эволюции родственных групп при адаптации к сходным условиям изменяющейся среды. Ковалевский сформулировал ряд понятий, описывавших закономерности макроэволюции: адаптивная и инадаптивная эволюция, адаптивная иррадиация. На примере лошадиных было показано, что их эволюция при переходе из лесных зон обитания в степную определялась, прежде всего, биотическими факторами—пищей, хищниками и конкурентами. В то же время эволюция конечности лошади из исходной четырехпалой в однопалую была адаптацией к передвижению по сухому и твердому грунту степей.

Возможности эволюционной систематики в XX в. наиболее ярко были продемонстрированы И. И. Шмальгаузеном в книге «Происхождение наземных позвоночных» (1964), а также А. В. Ивановым - в труде «Происхождение многоклеточных животных. Филогенетические очерки» (1968). А. Л. Тахтаджян (1966)

разработал современные представления о систематике и эволюции цветковых растений.

К середине XX в. выяснилась условность разделения систем на естественные и искусственные. С одной стороны, взаимоотношения и объемы многих систематических групп в старых классификациях были определены хотя и интуитивно, но правильно, с другой, поиск родственных связей особенно между крупными таксонами оказывался затруднительным, и они оставались сборными (искусственными). Спорным оставалось и их место в общей системе. Продолжали существовать откровенно искусственные системы, удобные для практических целей (наглядный пример—определительные ключи).

Предполагалось, что естественная система, основанная на родстве, опирается на данные филогенетики. Но оказалось, что между этими отраслями знания не существует однозначных отношений. Главное их различие заключалось в том, что филогенетика видит объект изучения в непрерывном эволюционном изменении, а систематика - в стационарном состоянии, стараясь зафиксировать одномоментный срез филетических линий. Некоторые из этих линий в своем развитии могли вырваться далеко вперед по сравнению с остальными, и отразить это филогенетическое событие в систематике можно было только путем присуждения ей особого таксономического ранга. Стало ясно, что как бы ни были полны результаты морфологических, эмбриологических и палеонтологических исследований, опираясь только на них, построить естественную (филогенетическую) систему в принципе невозможно. В отличие от филогенетики, пользующейся исключительно понятием родства, систематикам приходится учитывать и сходства, значительная часть которых проистекает от конвергенции и параллелизмов.

С конца 1960-х гг. критерий гомологии структур у сравниваемых организмов как развивающихся из одних и тех же зачатков стал утрачивать свое путеводное значение. Как показал Г. де Бир (1971), часто гомологичные органы даже у близких форм образуются из различных зачатков или последние детерминируются разными генами. Оказалось, что для организма важно достичь одной и той же дефинитивной организации, пути же и средства ее достижения могут варьировать в широких пределах. К таким вариациям относятся мозаичность развития, гетеротопии, системные мутации, обмен чужеродным генетическим материалом и пр. Чаще всего нахождение предковых форм оказывается невозможным. В итоге создаваемая филогенетическая система остается таковой лишь по намерениям, ибо высокая степень ее гипотетичности неустранима.

Кладизм. Остроумную попытку преодолеть эти трудности и сделать систематику подлинно филогенетической, согласовав ее при этом с принципами монофилии и дивергенции, осуществил немецкий энтомолог В. Хенниг (1950). Он принял, что основные преобразования шли через последовательные расщепления видов, в результате которых образуются клады (от греческого «кладос» - ветвь, молодой побег). Разработанный им метод классификации получил название кладизма. Предположив, что каждый шаг эволюции связан с расщеплением прежней ветви на две новые и предложив положить этот факт в основу систематизации, Хенниг максимально приблизил ее к генеалогической.

Для реконструкции последовательности ветвлений прибегают к поэтапному выявлению признаков, общему все большему числу рассматриваемых видов методом их внегруппового сравнения. Таким способом определяют сестринские таксоны все, более высокого ранга (и более древнего происхождения), но таксономически якобы равноценные друг другу. При этом отпадает нужда в поиске исходного предка.

Метод кладизма, подкупающий своей логической и непосредственной связью с генеалогией, по мнению О. А. Скарлато и Я. И. Старобогатова (1974), означал подмену систематики филогенетикой. Признание равенства сестринских групп предполагало равномерность темпов их эволюции, при этом игнорировалась степень их дивергенции и генетические различия. Вместе с тем кладизм получил широкое распространение.

Феыетическая систематика. Сознательное намерение уйти от всяких попыток построить систему в соответствии с принципом филогенетического родства определило формирование фенетической (основанной на внешних признаках - фенах), или нумерической (численной) систематики. Ее основатели (Р. Сокэл, Нит, 1963) и сторонники оперируют исключительно признаками простого сходства без учета их происхождения. Следуя за М. Адансоном и Д. Н. Соболевым, они стремятся включить в таксономический анализ как можно больше признаков, не проводя между их значением никаких различий.

При проведении фонетического анализа для подсчета совпадающих признаков и определения коэффициентов сходства по последовательным парам видов используют различные, нередко весьма хитроумные математические методы, а полученные результаты выражают в виде фенограмм. На количественных характеристиках и признаках, не связанных с филогенией, основан и более тонкий метод математического анализа сходств, разработанный Е. С. Смирновым (1969). В отличие от других представителей нумерической систематики он выступил против таксономической равноценности признаков и предложил оценивать их вес по частоте встречаемости в пределах данной группы видов.

 

3.9.2. Мегатаксономия

 

К середине XX в. стала ощущаться неудовлетворенность дифилетическими трактовками происхождения Bilateria, о которых шла речь выше. Было предложена гипотеза их монофилетического происхождения (Хайман, 1940; Ливанов, 1955; Грассе с соавт., 1961; Ремане, 1976; Иванов, 1975,1976). В 1971 г. Грелль и вслед за ним А. В. Иванов (1973), изучив строение самого примитивного представителя современных многоклеточных – Trihoplax adhaerens, пришли к выводу о необходимости его выделения в особый таксон высокого ранга (надотдел фагоцителлообразных). Животное сохранило в своем строении организационный уровень паренхимулы и оказалось очень близким к фагоцителле Мечникова - гипотетическому предку многоклеточных.

Сложилось и третье - полифилетическое направление в толковании происхождения целомических Bilateria (Беклемишев, 1944; Шаров, 1965; Миничев, Старобогатов, 1972). Утверждению полифилитического направления в значительной степени способствовала гипотеза эволюции путем симбиогене-за, предложенная в начале XX в. К. С. Мережковским (1855-1921) и А. С. Фаминцыным (1835-1918), в которой доказывалось симбиотическое происхождение клеток растений. Еще ранее А. С. Фаминцын, О. В. Баранецкий (1843-1905) и С. Швендер (1829-1919) доказали, что каждый конкретный вид лишайников, рассматриваемых как тип растений, состоит из специфических видов представителей двух других типов - грибов и водорослей. Симбиотическое происхождение лишайников не укладывалось в рамки традиционных представлений о филогенетических древах и их ветвлениях.

В ходе перестройки классификаций животных и растений, начавшейся в последние десятилетия XX в., обнаружилась тенденция перерастания макросистем (включающих таксоны от вида до типа) в метасистемы, охватывающие таксоны от типа (отдела) и выше. Стремление к выделению таксонов высшего ранга было объективно связано с успехами в изучении органелл и ультраструктур клетки, а также ее биохимии и особенностей главных информационных молекул. Для познания филогенетических отношений высших таксонов, которые обособились миллиард и более лет назад на уровне бесскелетных протистов, изучение клеточных ультраструктур (см. гл. 3.4) как эволюционно наиболее консервативных оказалось единственным обнадеживающим средством. В результате выявившихся различий между группами организмов на субклеточном уровне систему пришлось дробить, степень ее иерархичности увеличивать, ранг многих старых таксонов повышать. Потребовалось введение новых таксонов рангом выше царства—империи (Воронцов, 1965) и доминионы (Мур, 1974), и «иерархизация» старых (царства, отдела, типа) путем присоединения к ним приставок «под» и «над».

До конца 60-х гг. XX в. наибольшим распространением пользовались двух- и трехцарственные системы, доставшиеся нам соответственно от Аристотеля и Линнея (растения и животные) и от Хогга и Геккеля (растения, животные и простейшие). Но еще в 1925 г. французский протистолог Шаттон разделил одноклеточных на две группы - лишенных ядра (бактерии и синезе-леные) и снабженных ядром (все остальные организмы), дав этим группам ныне общепринятые названия прокариот и эукариот. В 1960-х гг. предлагается новые деления эукариот. В системах А. В. Иванова (1968), Р. Уиттекера (1969) и А. Л. Тахтаджяна (1973, 1974) у них выделены три царства. Н. Н. Воронцов (1965, 1966) поделил весь органический мир между двумя империями—доклеточных (вирусы, бактериофаги) и клеточных с подимпериями предъядерных и ядерных. Позднее Воронцов (1986) выделил третью подимперию мезокариот с единственным отделом динофлагеллат.

Углубленные электронно-микроскопические исследования клеточных структур и данные молекулярной биологии в дальнейшем породили целый калейдоскоп недолговечных систем, в которых число царств (или подцарств) доходило до 22, девальвируя само это понятие. Последняя крупная ревизия системы органического мира связана с открытием американскими исследователями царства архебактерий (Вузе, Фокс, 1977; Вузе и др., 1978). Это открытие стало возможным благодаря использованию кладистического анализа, а в качестве хронометрических признаков - различий в строении рибосомных РНК. Остальные бактерии были отнесены авторами к царству эубактерий. Большинство специалистов склонно теперь объединять оба царства бактерий в одно надцарство или доминион (см. гл. 3.4). Материалы исследований, легшие в основу построения метасистем, наглядно продемонстрировали организационное единство низших организмов и неприемлемость их деления на животных и растения.

 

3.9.3. История флор и фаун

 

Палеонтологи, изучавшие ископаемую биоту во второй половине XIX в. и находившиеся под влиянием теории Дарвина, вслед за В. О. Ковалевским были увлечены составлением эволюционных рядов (В. Вааген, А. Гайэтт, Л. Долло, М. Неймайр, Г. Осборн и др.). Они описывали флору и фауну минувших геологических эпох, реконструируя условия их существования по особенностям заключавших их осадочных пород. В этот период на территории США были открыты и изучены богатые местонахождения мезозойских и третичных наземных позвоночных (Дж. Лейди, О. Марш, Э. Коп), зубастых птиц (О. Марш) и пермских звероподобных рептилий - пеликозавров (Э. Коп). В. П. Амалицкий открыл на берегу Северной Двины крупные скопления костей пермских травоядных и хищных пресмыкающихся. Успешные палеоботанические исследования дали ценный материал по ископаемым флорам Европы, Северной Америки, Гренландии, Австралии, Малайского архипелага. Сведения о мировой ископаемой биоте были подведены в сводке К. Циттеля «Руководство по палеонтологии» (1893).

В XX в. разнообразие ископаемых остатков минувших флор и фаун, равно как и число изучавших их специалистов, многократно увеличилось. Открытие и изучение ряда вымерших таксонов позволило по-новому представить как состав последовательно сменявших друг друга сообществ, так и выяснить систематическую принадлежность доминировавших в них групп. Были обнаружены, например, целые сообщества предцветковых растений, развивавшиеся параллельными пучками в направлении организации покрытосеменных (А. Л. Тахтаджян, С. В. Мейен, В. А. Красилов).

Важнейшее достижение систематики второй половины XX в. - открытие докембрийской биоты. В 1947 г. Р. Спригг нашел ископаемую фауну в песчаниках Эдиакары (Южная Австралия), жившую более 570 млн. лет назад и детально изученную М. Глесснером. Это были исключительно бесскелетные организмы, принадлежавшие к кишечнополостным, кольчатым червям и примитивным членистоногим, а также исчезнувшим типам. Впоследствии были найдены десятки тысяч образцов этого периода на всех континентах. Мировую известность получило местонахождение докембрийской фауны на севере Русской платформы между побережьем Белого моря и Онежским полуостровом. Аналогичные фауны были обнаружены также в Подольском Приднестровье (Федонкин, 1983) и на Оленекском поднятии (Соколов, Федонкин, 1984). Для всей этой фауны характерно поразительное разнообразие при однотипности образа жизни ее представителей (ползающие или роющие морские формы). Б. Е. Соколов (1950) предложил именовать период, в котором она жила, вендом.

В последнем десятилетии XX в. в осадочных породах первичной биосферы было выявлено наличие хорошо сохранившихся фоссилизированных бактерий (Г. А. Заварзин, А. Ю. Розанов), исследованием которых занялась бактериальная палеонтология. Особое направление в рамках истории флоры и фауны - изучение биотических кризисов на основных рубежах фанерозоя (О. Валлизер, В. А. Красилов, В. Н. Шиманский, А. Н. Соловьев, Д. Рауп, Дж. Сепкоски). С ним неразрывно связано рассмотрение проблем преемственности биот и массовых вымираний.

Эволюционистов и палеонтологов всегда интересовали случаи обнаружения «переходных форм» между систематическими группами разного уровня. В литературе многократно описаны ископаемые ряды различных животных в пределах родов или семейств. Однако случаи нахождения «связующих звеньев» между классами, а тем более типами были чрезвычайно редки, поскольку постепенное изменение планов строения трудно совместимо с выживанием соответствующих организмов. Возможно, таких звеньев не существовало, а эволюция осуществлялась по блочному принципу - путем приобретения новых структур в рамках старой организации. Самые знаменитые ископаемые находки - ихтиостега (лабиринтодонт) и археоптерикс (первоптица) организационно оставались соответственно полноправными представителями кистеперых рыб и рептилий. Это были животные-кентавры, мозаично совмещавшие в себе структуры пограничных классов, но лишенные таковых в переходном состоянии.

Подлинной сенсацией для XX в. стали открытия живых представителей ряда классов, считавшихся давно вымершими. Обнаружение таких «живых ископаемых» тем более удивительно, если принять во внимание, что они представлены единичными родами или даже одним видом, уцелевшими на протяжении десятков и сотен миллионов лет. В 1938 г. в Индийском океане у южных берегов Африки была поймана донная кистеперая рыба - латимерия, обитающая в районе Коморских островов на глубинах до 400 м. До этого считалось, что последние кистеперые вымерли в меловом периоде. Позднее были пойманы еще несколько экземпляров того же вида. В 1957 г. в глубинных водах Тихого океана был обнаружен ранее неизвестный моллюск неопилина, близкий к примитивным брюхоногим, вымершим на протяжении палеозоя. Изучение этой формы (Лемхе, Уингстренд, 1959) выявило ее промежуточное положение между несколькими классами и позволило отнести к особому классу моноплакофор.

Еще один реликт самых древних и примитивных многоклеточных – трихоплакс - как уже говорилось, был описан А. В. Ивановым (1973). А. В. Иванову (1955, 1960) принадлежит также заслуга обоснования нового типа погонофор, близкого к полухордовым. Изучив сравнительно-анатомические и эмбриональные особенности вестиментифер (группу кольчатых червей), В. В. Малахов (1996, 1997) показал их близость к настоящим погонофорам как представителям родственного класса. Подобно последним, вестиментиферы лишены кишечника и питаются за счет присутствия в их теле симбиотических серобактерий.

 

3.9.4. Сохранение биоразнообразия

 

Сохранения разнообразия биоты было осознано как глобальная проблема в середине 1980-х годов. Тогда же впервые в американской литературе появился сам термин «биоразнообразие» (biodiversity). Изучение самого биоразнообразия, измеряемого, прежде всего, числом существующих видов, началось, однако, с разработкой научной классификации в XVIII в. и проведением планомерных флористических и фаунистических исследований по материалам экспедиций. В середине XX в. простая инвентаризация животных и растений - составление исходного списка (кадастра) видов - дополнилась системой количественных показателей, в том числе индексов обилия видов, и в настоящее время биоразнообразие оценивается на уровне генов, видов и экосистем.

Стремительное сокращение биоразнообразия - одно из наиболее драматичных проявлений современно экологического кризиса. Исчезновение многих позвоночных животных и цветковых растений связано не столько с их прямым истреблением, сколько с разрушением среды их обитания и целых экосистем. Ежедневно мы теряем около 100 видов. Угроза нормальному функционированию экосистем и биосферы в целом, а, значит и существованию человечества, ставшая реальной к концу XX в., привела к тому, что проблема сохранения биоразнообразия стала объектом пристального внимания международных организаций по охране окружающей среды, вышла за рамки чисто научных интересов и поднялась до уровня первоочередных экономических и политических задач национальных правительств (см. гл. 3.8).

В свою очередь показатели биоразнообразия приобрели ключевую роль в экологических оценках. Они оказались незаменимыми в комплексных экологических экспертизах всех хозяйственных мероприятий, в расчетах предельно допустимых нагрузок на экосистемы, при создании новых форм растений, животных и микроорганизмов методами генетической инженерии, при защите природной среды от попадания в нее нежелательных продуктов биотехнологии.

Одним из путей сохранения биоразнообразия стало информирование самого широкого круга людей о редких и находящихся под угрозой исчезновения видах животных и растений путем издания «Красных книг». Сбор данных для первой книги был начат по инициативе МСОП в 1949 г. Первые ее тома вышли в 1966 г. В томах, изданных к 1979 г., содержались сведения по биологии, распространению и причинах сокращения численности 321 вида и подвида млекопитающих, 485 видов птиц, 141 вида пресмыкающихся, 41 вида земноводных, 194 видов рыб и 681 вида высших сосудистых растений. По образцу этой первой мировой сводки в ряде стран стали издаваться

национальные «книги» (в СССР с 1974 г., а в границах будущей России—с 1983 г. по животным, с 1988 г. - по растениям). Ряд видов, восстановивших в дальнейшем свою численность, из последующих изданий «Красных книг» были исключены, однако их место заняло гораздо большее число новых.

Другой нетрадиционный путь сохранения биоразнообразия—разведение исчезающих животных в неволе с последующей реинтродукцией в природу на основе созданных коллекций генетического материала. В последние годы в Зоологическом институте РАН (С.-Петербург) уже положено начало созданию криобанков (депозитариев замороженных в жидком азоте репродуктивных и соматических клеток) и банков очищенной ДНК охраняемых видов животных из разных систематических групп.

Продолжающееся уточнение состава и объема систематических групп и непрерывные изменения биоразнообразия во времени и пространстве требуют постоянных корректив видовых списков. Оперативное ведение этой работы совершенно немыслимо без разрабатываемых в настоящее время компьютерных банков данных и соответствующих информационно-поисковых систем (классификаторов). Только компьютеры, хранящие такие данные, способны практически мгновенно дать информацию о систематическом положении любого вида и таксона со всеми их старыми названиями и синонимами. В банках для обозначения каждой таксономической категории обычно используются двузначные цифровые и буквенные коды. Для отражения иерархического соподчинения таксонов отдельно создаются также кодовые классификаторы, которые отражают последние достижения номенклатуры и систематики и вместе с тем способны предоставить сведения о старой номенклатуре.

 

Литература

Зенкевич Л. А. История системы беспозвоночных: Руководство по зоологии. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1937.

Биоразнообразие: степень таксономической изученности. - М.: Наука, 1994

Кусакин 0. Г., Дроздов А. Л. Филема органического мира. Ч. 1. - СПб.: Наука, 1994.

Майр Э. Принципы зоологической систематики. - М.: Мир, 1971.

Протисты. Ч. 1.-СПб.: Наука, 2000.

Павлинов И. Я. Кладистический анализ. - М.: Изд-во МГУ, 1990.

Скарлато 0. А., Старобогатов Я. И. Филогенетика и принципы построения естественной системы//Тр. ЗИН АН СССР. 1974. Т. 53. С. 30-46.

 Смирнов Е. С. Таксономический анализ. - М.: Наука, 1969.

Старостин Б. А. Филогенетика и ее развитие. - М., Наука. 1970.

Сгратиграфия и палеонтология древнейшего фанерозоя, - М.: Наука, 1984.

Тихонов А. В. Красная книга России. - М., 2002.

 

3.10. Эволюционная теория в поисках синтеза

 

«Происхождение видов» Ч. Дарвина занимает особое место в истории биологии. Его опубликование в 1859 г. означало поворотный момент в развитии всей биологии, связанный с крушением концепции постоянства органических форм и механистического детерминизма в биологии. Отныне в ней укоренились эволюционная идея и статистическо-вероятностная методология. Оформилась особая биологическая дисциплина - эволюционная теория, изучающая факторы и закономерности развития живой природы. Учение Дарвина послужило мощным толчком для формирования экологии, биоценологии, биологии развития, генетики, о которых речь шла в предшествовавших главах.

Глубокое изучение каждого фактора эволюции в отдельности, достигнутое с помощью особых методик, влияло на общие представления об эволюции. Появлялись новые проблемы, например, эволюция экосистем, эволюция на молекулярном уровне, эволюция эволюции и т. п. Другие, напротив, утрачивали свое значение, как это произошло с доказательствами эволюции. Дарвин, создав теорию эволюции путем синтеза данных различных наук, показал, что успех ее дальнейшего развития зависит от глубины и всесторонности используемого биологического знания. Эта установка была воспринята далеко не всеми эволюционистами. В результате новые открытия нередко вначале противопоставлялись учению естественного отбора и порождали гипотезы, в которых односторонне выделялась роль какого-нибудь фактора эволюции (например, мутационной или модификационной изменчивости, миграции, изоляции и т. д.). Возрастало разнообразие гипотез, претендовавших на роль «новой теории эволюции», призванной окончательно опровергнуть селекционизм. Эволюционные гипотезы различались между собой по трактовке движущих сил эволюции (автогенез, эктогенез, селектогенез), по истолкованию факта направленности эволюции (адаптациогенез, ортогенез, фина-лизм), по величине элементарного эволюционного изменения (градуализм, мутационизм, сальтационизм, неокатастрофизм), по характеру исходных преобразовании (гибридогенез, симбиогенез, сегрегациогенез). Обилие гипотез в области эволюционной теории свидетельствует об объективных трудностях познания. Многие из них были преодолены, другие сохраняются до сих пор, стимулируя создание новых концепций эволюции.

Эти попытки всегда находят повышенный интерес в обществе. Все крупные политические течения XX в. (либерализм, коммунизм и фашизм) искали в селекционизме подтверждение своей идеологии. В генетике, этологии и экологии пытаются найти истоки этики и морали человека. Зачастую споры вокруг эволюционных проблем обусловлены не столько биологической стороной дела, сколько содержащимися в них идеологическими нагрузками. Не случайно они до сих пор занимают центральное место в философской и историко-научной литературе. Роль учения об естественном отборе в истории человеческой цивилизации побуждает к анализу когнитивных, социокультурных и индивидуально-психологических факторов дарвиновской революции. При этом в литературе укоренилась масса мифов и легенд, развеянных только в последние десятилетия благодаря изучению и публикации огромного, хранящегося в библиотеке Кембриджского университета 30-томного дарвиновского архива заметок и записных книжек.

 

3.10.1. Учение Ч. Дарвина и борьба за утверждение идеи эволюции в биологии

 

Долгое время существовала версия, что эволюционные представления Дарвина сложились во время его кругосветного путешествия на корабле «Бигль» (1831-1836). Гигантские ископаемые из раннетретичных отложений Патагонии, внутривидовое многообразие гигантских черепах и вьюрков на Галапагосском архипелаге, этой своеобразной природной лаборатории эволюции, по словам самого Дарвина, вызвали у него шок, и он в одночастье превратился в эволюциониста. Однако, опасаясь негативной реакции со стороны общества, он не спешил с публикацией новых воззрений, а более двух десятилетий трудился над сбором литературных и музейных материалов, а также проводил эксперименты и занимался систематикой ракообразных, стремясь всесторонне обосновать гипотезу естественного отбора. Особую роль Дарвин отводил искусственному отбору как аналогу естественного. В таком изложении Дарвин выглядел как интеллектуальный герой-одиночка, сумевший отказаться от предубеждений общества и увидеть природу глазами, свободными от догм.

Как в легендах о ванне Архимеда и яблоке Ньютона Дарвин изображался обладателем особых способностей, позволивших эмпирически постигнуть реальность, по схеме «увидел-открыл». Его зоркости и гениальности отводилась решающая роль в формировании идеи эволюции, забывая при этом социально-культурную среду, общение с коллегами и чтение литературы из разных областей знаний. Не понятным оставался и тот факт, что А. Уоллес (1823 - 1913) почти одновременно с ним предложил такую же эволюционную гипотезу. Многочисленные исследования последних десятилетий показали, что во время путешествия Дарвин оставался верным приверженцем классического униформизма, креационизма и естественной телеологии. Лишь узнав от английского орнитолога А. Гулда, что собранные им вьюрки принадлежат к разным видам, Дарвин задумался о возможности их происхождения от единого вида в результате адаптивной радиации. В поисках ее причин Дарвин перебрал множество гипотез от креационистского сальтационизма, утверждавшего возможность многократного творения сходных видов, до ламаркизма и изоляционизма. Ему удалось с максимальной эффективностью использовать достижения предшественников (см. гл. 2.6.4) для обоснования эволюционизма. Кругосветное путешествие постепенно стимулировало отказ Дарвина от креационизма и теологии. Добытые им тогда палеонтологические и биогеографические данные сыграли роль ферментов в становлении Дарвина как эволюциониста.

Решающим фактором в создании теории стало его знакомство с концепциями английских политэкономов. Сам Дарвин указывал только на ключевое значение книги Т. Мальтуса о росте популяции человека в геометрической прогрессии, умолчав, однако, о влиянии книги А. Смита (1776), который писал о разделении труда и специализации как основе богатства нации. Дарвин перенес экономические принципы в природу, показав, что статистические механизмы - борьба за существование и отбор - ведут к дивергенции видов, которая обеспечивает увеличение биоразнообразия и наиболее полное использование ресурсов среды. Подобные представления согласовывались с учением об экономике природы и балансе видов. Искусственный отбор послужил Дарвину моделью для доказательства сформулированной им гипотезы естественного отбора, действовавшего благодаря неопределенной изменчивости, геометрической прогрессии размножения и борьбы за существование. Суть этой гипотезы состояла в признании неслучайной выживаемости организмов и возможности возникновения новых адаптации путем статистическо-вероятностного механизма суммирования полезных изменений. Его концепция была не «Монбланом фактов», как любил подчеркивать сам Дарвин, атипичным гипотетико-дедуктивным построением, соответствовавшим стандартам точных наук. Среди приводимых им фактов не было ни одного реального случая отбора в природе. Однако огромное количество косвенных доводов в пользу гипотезы убедило биологов в возможности естественнонаучного объяснения эволюции живого.

Учение об естественном отборе позволило начать изучение причин формирования видов со всем комплексом сложных структур и функций, присущих каждому из них, а, следовательно, и причин современного биоразнообразия. Проблема органической целесообразности, прежде всего адаптации организмов к среде и коадаптации органов, получала истолкование без привлечения сверхъестественных сил. Вместе с тем был вскрьгг и ее относительный характер. Принцип дивергенции объяснял возрастающее биоразнообразие, иерархию таксонов и позволял провести их филогенетическую классификацию. Тем самым дарвинизм решал ряд проблем, возникших к тому времени в различных отраслях биологии. Дарвиновская гипотеза о причинах антропогенеза создала возможность связать эволюцию природы с историей общества (см. гл. 3.11).

Однако дарвинизм как учение об естественном отборе был воспринят биологами не сразу. Первой задачей, вставшей перед сторонниками Дарвина, была защита и популяризация идеи эволюции. Вскоре после выхода в свет «Происхождения видов» сформировалась группа биологов, считавших себя дарвинистами: Дж. Бейтс, Т. Гексли, Дж. Гукер, А. Уоллес (Англия), К. Гегенбауэр, Э. Геккель, Ф. Мюллер (Германия), Г. Зейдлиц, А. О. и В. О. Ковалевские, И. И. Мечников, И. М. Сеченов, К. А. Тимирязев (Россия), А. Грей (США). Они вели дискуссии с консервативно настроенными естествоиспытателями, а также с клерикалами, выступившими против эволюционизма. Полемика еще не касалась вопроса о причинах эволюции и была всецело сосредоточена на вопросе о ее реальности.

Против идеи эволюции в разных странах выступали крупнейшие ученые: палеонтологи Ж. Л. Агассис, Р. Оуэн, А. Седжвик, биологи Г. Брони, С. Карпентер, А. Катрфаж, Г. Мерей, А. Мильн-Эдвардс, П. Флуранс и др. Их аргументация основывалась на прежних доводах П. Палласа, Ж. Кювье, Ч. Лайеля или на чисто теологических соображениях. Открытие археоптерикса (1861) подорвало позиции антиэволюционизма, дав прямые доказательства существования переходных форм. После бурной, но очень короткой дискуссии система креационистских взглядов в биологии рухнула. Отныне целесообразность и прогресс биологи объясняли с позиций эволюционизма.

Судьба же теологических концепций, не связанных прямо с идеей Творения, оказалась более долгой. Ряд ученых и религиозных мыслителей, отказавшись от принципа неизменности видов и понимая недостаточность ссылок на «аморальность» гипотезы происхождения человека от животных, пытались объединить идею эволюции с представлениями о Боге как ее первоначальной причине и цели. В авангарде этого духовного движения шли ученые-протестанты из англосаксонского мира, подготовленные к восприятию дарвиновского объяснения естественной теологией и моделями экономического развития. Не возникало серьезных коллизий и между эволюционными и религиозными представлениями отдельных ученых. Так, апостол дарвинизма в Америке А. Грей уже в 1860 г. уверял, что гипотеза эволюции по законам, созданным Творцом, и далее протекающей без всякого его вмешательства, в научном отношении равноправна представлениям о периодических вмешательствах Творца или о постоянном воздействии Высшей силы. К выводу о совместимости естественной теологии с трансмутацией видов пришел даже Ч. Лайель. Вместе с тем многие из них не принимали борьбу за существование и естественный отбор. Вводя идею эволюции в теологическое мировоззрение, они воспринимали Дарвина Коперником, а не Ньютоном биологии.

Теория естественного отбора встретила многочисленных оппонентов в континентальной Европе. Они руководствовались различными религиозными, философскими, методологическими и философскими мотивами. Их отношение к учению об естественном отборе определялось приверженностью к теоретическим парадигмам, существовавшим в то время в биологии. Суть каждой из них сводилась к следующим положениям: 1) виды неизменны, резко разграничены друг от друга и каждый вид обладает идеальной сущностью (концепция постоянства видов); 2) существует ограниченное число неизменных «идей» или «планов строения», а также причин и целей материальных явлений (типологические теории); 3) систематическая близость видов определяется их родственными связями (концепция происхождения видов); 4) новые типы (виды) возникают спонтанно, скачкообразно, без всяких переходов, а периодические обновления флоры и фауны идут за счет «массовых перечеканок» прежних форм или за счет глобальных катастроф, освобождавших жизненное пространство для новых групп (сальтационизм); 5) виды формируются медленно, постепенно, путем суммации мелких изменений, а их дальнейшая трансформация и дивергенция определяет биологическое разнообразие (градуализм); 6) адаптациогенез идет путем естественного отбора на базе неопределенной, ненаправленной изменчивости (селекционизм); 7) целесообразность является неотъемлемым свойством живого и адаптациогенез обеспечивается за счет наследования приобретенных признаков, возникающих под прямым влиянием внешней среды, упражнения или неупражнения органов, волевого усилия (механо- и психоламаркизм); 8) эволюция целенаправленна, причем цель выступает главной причиной эволюции (телеологические эволюционные теории); 9) эволюция подобно онтогенезу строго запрограммирована (онтогенетическая парадигма); 10) законы и причины эволюции неизменны (униформизм); 11) законы и причины, действовавшие в прошлом, резко отличаются от современных (катастрофизм); 12) эволюировали сами законы и причины эволюции (вариалегизм).

Эти парадигмы различным образом комбинировались в рамках многообразных гипотез эволюции. В палеонтологии, морфологии и эмбриологии по сути дела шла «недарвиновская революция», противоречивый процесс согласования идеи трансформации организмов с прежними катастрофистскими, сальтационистскими и креационистскими убеждениями, а также с господствующими представлениями о морфологических типах и запрограммированном эмбриогенезе. Многим было неясно, как филогенез связан с онтогенезом, а идея эволюции с жесткой детерминации наподобие индивидуального развития пользовалась большой популярностью. Естественнонаучные теории продолжали нести значительную теологическую и телеологическую нагрузку. Целевыми причинами объясняли не только приспособленность организмов к условиям существования, но и их усложнение в ходе сменяющихся геологических эпох.

Дань этой традиции отдал и Дарвин, завершивший свой труд хвалами Творцу, вдохнувшему жизнь в ограниченное число форм и давшего законы эволюции, благодаря которым «из такого простого начала развилось и продолжает развиваться бесконечное число самых прекрасных и самых изумительных форм». В автобиографии он указал снова, что не может принять возникновение Вселенной как результат случайного стечения обстоятельств. Вместе с тем он считал невозможным решить проблему начала вещей и Бога. В целом Дарвин пришел к выводу о принципиальном различии методов убеждения в религии и науке и занял позицию агностицизма в мировоззренческих вопросах.

Начиная с середины 1860-х гг. предпринимались попытки использовать эволюционный подход в морфологии, эмбриологии, палеонтологии. Интересы эволюционистов первоначально концентрировались на вопросах «большой филогении» (происхождение крупных таксонов и выяснение родственных связей между ними, поиски переходных форм, способов органообразования) (см. гл. 3.9). Конечная цель филогенетического направления состояла в построении родословного древа. Были реконструированы филогенетические ряды паллюдиновых, аммонитов, слонов, динотериев, китов и сформулированы важные закономерности эволюции: закон адаптивных и инадаптивных путей эволюции (В. О. Ковалевский), принцип сходства ранних стадий эмбриогенеза у беспозвоночных и позвоночных (А. О. Ковалевский, И. И. Мечников), принцип рекапитуляции (Ф. Мюллер, Э. Геккель), принцип неспециали-зированности предковых форм (Э. Коп), закон необратимости эволюции (Л. Долло), принцип мультифункциональности органов и смены функций (А. Дорн), принцип субституции органов (Н. Клейненберг), закон ранней закладки прогрессивных органов (Э. Менерт).

Проблеме адаптации были посвящены труды Г. Бейтса, А. Вейсмана, Е. Паультона и А. Уоллеса, изучавших маскирующие (покровительственные), предупреждающие (отпугивающие) и лжепредупреждающие (мимикрические) окраски животных. Появились ботанические и зоологические работы о происхождении и эволюции различных приспособлений.

Начались и первые экспериментальные исследования эволюции. Сам Дарвин ставил эксперименты по широкому кругу вопросов: от причин изменчивости у растений до выражения эмоций у животных. Все они были направлены на разработку теории естественного отбора. В центре же экспериментальных исследований других биологов оказались вопросы об адаптивных перестройках организмов в онтогенезе и о наследовании приобретенных признаков. Эти эксперименты были призваны решить разгоравшийся спор сторонников объяснения эволюции путем прямого приспособления с защитниками учения об эволюции на основе отбора неопределенных изменений.

С 1870-х гг. стремительно нарастает многообразие эволюционных концепций, претендовавших на опровержение дарвинизма, который также не остался монолитным. Серьезные расхождения в трактовке естественного отбора существовали даже между Дарвиным и Уоллесом, который считал, что ссылки на искусственный отбор мало помогают понять эволюцию, так как селекция домашних животных и культурных растений затрагивает второстепенные признаки и легко обратима. Вскоре сам Дарвин стал выдвигать различные дополнения к гипотезе естественного отбора, изложенной в первом издании «Происхождения видов». В последующих изданиях он допускал наследование приобретенных признаков в качестве фактора, способствующего закреплению и аккумуляции полезных признаков. Его «временная гипотеза пангенезиса», изложенная в «Изменении растений и животных под влиянием одомашнивания» (1868), была разновидностью прежних представлений о прямом наследовании. В соответствии с ней во всех клетках и тканях живого тела содержатся «геммулы», которые, попадая в репродуктивные органы, передают информацию о фенотипических признаках следующему поколению. Аналогичных взглядов придерживались Т. Гексли, А. О. и В. О. Ковалевские, Г. Спенсер, К. А. Тимирязев. Другие исследователи полагали, что прямое приспособление как механизм эволюции может действовать наряду с естественным отбором, а иногда по своему значению и приравниваться к нему. В результате получалось эклектическое сочетание дарвинизма с ламаркизмом, названное ламаркодарвинизмом. Его типичными представителями были Э. Геккель и М. Неймайр.

Как реакция на него в середине 1880-х гг. возник неодарвинизм, у истоков которого стояли А. Вейсман, Ф. Гальтон и А. Уоллес. В рамках неодарвинизма впервые была дана всесторонняя критика принципа наследования приобретенных признаков. Работы Вейсмана, отрубавшего мышам хвосты в течение десятков поколений, положили начало экспериментальному опровержению механоламаркизма. Ф. Гальтон -полукузен Дарвина - также подверг гипотезу пангенезиса экспериментальной проверке. В 1871 г., переливая кровь черных кроликов белым, а затем скрещивая реципиентов, он не нашел следов нарушения чистоты серебристо-белой окраски.

Биологи дополнили теорию естественного отбора учением об изоляции - были предложены миграционная гипотеза М. Вагнера (1868) и гипотеза «физиологического отбора» Дж. Романса (1886). Они были призваны преодолеть трудности, возникшие в связи с возражениями Ф. Дженкина о невозможности аккумуляции полезных изменений из-за нивелирующего эффекта скрещивания. Прямые исследования естественного отбора были проведены в конце XIX в. В результате биометрического обследования 136 воробьев, окоченевших после снежной бури на севере США, Г. Бэмпес (1897) установил, что ожившие 72 особи отличались от погибших меньшими размерами тела, относительно более мощной грудной мышцей и соответственно лучшими полетными данными. Годом позже В. Уэлдон (1898) опубликовал результаты многолетних исследований популяции крабов из бухты Плимута в Англии, показавшие их избирательную гибель. В 1899 г. Е. Паультон и К. Сандерс сообщили о результатах опытов с моделированием естественного отбора на бабочке-крапивнице, свидетельствовавшие об избирательной истребляемости их птицами.

Эти разрозненные опыты не могли переубедить противников дарвинизма, которых можно разделить на три крупные направления: неоламаркизм, телеологенез и неокатастрофизм. Каждое из них было неоднородным.

К неоламаркизму относят конгломерат концепций, опиравшихся на гипотезу Ламарка в целом, или же на какие-либо стороны его учения. Все они прямо или косвенно признавали целесообразность изначальным свойством живого и стремились заменить или, по крайней мере, существенно принизить роль отбора в эволюции. Неоламаркизм включал четыре разновидности: 1) неоламаркизм (в подлинном смысле слова), связанный с попыткой возродить все стороны учения Ламарка; 2) ортоламаркизм; 3) механоламаркизм; 4) психоламаркизм. Основателем неоламаркизма был палеонтолог Э. Коп (1887), постулировавший некую «анагенетическую энергию», обуславливающую усложнение форм. В качестве дополнительных причин эволюции он признавал влияние среды, упражнение и неупражнение органов и влияние психики. Естественному отбору Коп отводил функцию элиминации нежизнеспособных вариантов.

Основу ортоламаркизма составила идея Ламарка о существовании особого закона, действующего прямолинейно в сторону повышения уровня организации независимо от влияния внешней среды. Главной движущей силой эволюции называли «филетические законы роста» (Т. Эймер) или же «закон внутреннего стремления к прогрессу» (А. Годри). Основоположником механоламаркизма, сторонники которого сводили эволюцию к прямому или функциональному приспособлению путем наследования приобретенных свойств, обычно считают Г. Спенсера (1864), который на самом деле трактовал эволюцию как приспособительные изменения организмов, идущие путем как прямого уравновешивания организма со средой, так и косвенного—через естественный отбор. В экспериментах механоламаркистов (Г. Бонье, Г. Клебса, Ж. Константена, Н. Ф. Леваковского) была показана возможность широкого воздействия на организм в период его индивидуального развития, но доказательств возникновения новых, наследственно закрепленных адаптации не было получено. Психоламаркисты (Р. Земон, А. Паули, Г. Дриш, Я. Икскюль) выдвигали в качестве факторов эволюции активность или разумность поведения животных, психику, память, волю или даже чисто мистические явления («клеточная душа», «жизненный порыв»).

Взгляды многих сторонников неоламаркизма в значительной мере были основаны на допущении действия телеологических факторов в качестве движущих сил эволюции. Однако наиболее последовательно идея телеологии отстаивалась в работах К. Бэра (1876), А. Годри (1878), А. Виганда (1874) и др. Обосновывая телеологические принципы эволюции, Бэр рассматривал Вселенную как результат развития, стремящегося к высшей цели и руководимого разумом. Целестремительность, по Бэру, является универсальным законом как эмбриогенеза, так и филогенеза, обуславливая усложнение организмов и гармонию в природе. Применяя «цель» ко всей природе, Бэр имел «в виду имеющую сознание и волю сущность». Финалистический вариант телеологии представил немецкий ботаник А. Виганд, который утверждал, что эволюционный процесс шел по затухающей кривой и ныне уже прекратился, так как иссякла «образовательная сила».

Основой неокатастрофистских и сальтационистских концепций эволюции стало положение о внезапных вмешательствах в процессы эволюции факторов, отличных от ныне действующих. Синтезируя катастрофизм и эволюционизм, Зюсс (1863) рассматривал органическую эволюцию как чередование продолжительных периодов стабильного существования таксонов с кратковременными периодами их массовых перечеканок под влиянием резких изменений в физико-географической среде. В дальнейшем мысль о внезапно наступающих массовых перечеканках, ведущих к разовому возникновению новых таксонов, часто объединялась с признанием существования всеобщего «внутреннего закона развития», действующего импульсивно или проявляющегося только при определенном сочетании условий. Таковы были гипотезы «гетерогенного размножения» Р. А. Келликера и С. Майварта о скачкообразном видообразовании, В. Ваагена о больших геологических мутациях, С. И. Коржинского о гетерогенезисе. К неокатастрофизму ученые склонялись по разным причинам, но главным образом из-за отсутствия переходных форм в основаниях стволов многих крупных таксонов, рассматривая этот факт как прямое свидетельство пароксизмов, которые возникали в переломные эпохи и порождали новые формы.

Таким образом, победа эволюционизма привела к доминированию антиселекционистских концепций эволюции, поэтому в последние десятилетия в истории науки ее принято называть «недарвиновской» революцией.

 

3.10.2. Переоткрытие законов Менделя и кризис эволюционизма

 

Переоткрытие законов Менделя (см. гл. 3.3) способствовало опровержению концепции наследования приобретенных признаков, установлению дискретного характера наследственной изменчивости, устранению

возражения гипотезе естественного отбора, основанном на представлении о «заболачивающем» эффекте скрещивания. Дарвинизм получил в менделизме мощного союзника, однако их взаимоотношения начались с острого столкновения, обусловленного несколькими причинами. Во-первых, экспериментальные методы генетики противопоставлялись спекуляциям эволюционистов. Во-вторых, ее данные первоначально истолковывались с позиции неизменности генов и их независимости от воздействий внешней среды. В третьих, эксперименты В. Иоганнсена (1903) показали бесплодность отбора в чистых линиях. Антидарвинистские истолкования генетики впервые два десятилетия ее развития породили ряд эволюционных концепций, названных К. М. Завадским (1973) генетическим антидарвинизмом: мутационизм, гибридогенез и преадаптационизм. Гипотезу мутационизма, или скачкообразного видообразования, происходящего под влиянием автогенетических факторов, выдвинул Г. де Фриз (1904), который отводил отбору чисто элиминирующую функцию устранения неудачных видов. Сторонники гибридогенезаЯ. Лотси (1916) иУ.Бэтсон (1911) отрицали эволюционное значение мутаций и считали, что в основе эволюции лежит перекомбинация неизменных генов. Согласно гипотезе преадаптации Л. Кено (1901), приспособление возникает в результате единичной мутации, случайно оказавшейся полезной в будущих условиях существования мутанта.

Произошло усиление и прежних недарвиновских концепций. Большой популярностью по-прежнему пользовался механоламаркизм, продолжались попытки экспериментально доказать наследование приобретенных свойств, воздействуя различными агентами на онтогенез (П. Каммерер, Р. Вольтерек, Ф. Сэмнер, А. Пиктэ). За наследование приобретаемых признаков в одних случаях принимался результат отбора в гетерозиготном материале, в других - отдельные мутантные формы, в третьих - длительные модификации. Многие опыты оказались просто невоспроизводимыми. Все это привело к разочарованию в постулатах механоламаркизма и к отходу многих его сторонников на позиции дарвинизма (Ф. Сэмнер, Э. Майр, Б. Ренш).

Кризисное состояние эволюционизма вновь стимулировало распространение различного толка телеологических концепций эволюции, претендовавших на оригинальность: «творческая эволюция» (А. Бергсон), «номогенез» (Л. С. Берг), ологепез (Л. Роза). В 1920-1930-е гг. появились автогенетические гипотезы эволюции, в которых делались попытки сочетать старые телеологические идеи с выводами генетики. Так, Г. Осборн использовал понятие «ари-стоген» (вымышленный ген прогресс) и понятие внутреннего творческого порыва. Таковы же были и гипотезы аллогенеза Л. Лаббэ, апогенеза Г. Пржиб-рама и др. Произошло усиление неокатастрофизма, подкрепляемого данными экспериментальной генетики («макромутации» Р. Гольдшмидта, «онтомутации» А. Далька). Появились гипотезы о существовании трехфазных и четы-рехфазных циклов в истории всего органического мира и отдельных филогенетических ветвей (Э. Дакке, Д. Н. Соболев, К. Бойрлен),

Вместе с тем дарвинизм сохранял значение теоретического основания для  многих  эволюционных исследований.  С позиций  дарвинизма

разрабатывал проблемы морфофизиологической эволюции А. Н. Северцов (1910, 1912), предложив первый вариант концепции филэмбриогенезов, сформулировав понятие «ароморфоз» и наметив новые подходы к изучению взаимоотношений онтогенеза и филогенеза в учении об основных направлениях макро эволюции. Впоследствии специфические эмбриогенезы были обнаружены и у растений (Б. М. Козо-Полянский, 1937; А. А. Гроссгейм, 1945). Были открыты новые модусы преобразования органов и функций: принцип расширения и интенсификации функций (Л. Плате, 1912,1924), принцип физиологической субституции (Д. М. Федотов, 1924), олигомеризации и полимеризации органов (В. А. Догель, 1928) и др.

На позициях дарвинизма оставались А. Вейсман, Л. Долло, Э. Ланкастер, А. Уоллес, И. И. Мечников, В. М. Шимкевич и др. В эти годы продолжались исследования естественного отбора в природе. В 1904 г. А. Чеснола в опыте с богомолами показал, что соответствие окрасок фона и насекомых значительно повышает их шансы на выживание. Избирательный характер смертности шелкопрядов на стадии куколки был продемонстрирован в опытах Г. Крэмптона (1905). Работой Дж. Гаррисона (1920) с пяденицей было положено начало исследований роли отбора в эволюции индустриального меланизма. Н. В. Цингер доказал участие отбора в формировании ряда сорных видов, в образовании рас у погремка и в происхождении сезонного полиформизма.

 

3.10.3. Основные пути преодоления кризиса и создание СТЭ

 

В середине 1920-х гг. стали формироваться генетика популяций, эволюционная цитогенетика, генэкология и геногеография, эволюционная экология и др. Их создание шло с использованием методологии дарвинизма. Появились математические модели действия естественного отбора в популяциях (С. Райт, Р. Фишер, Дж. Холдейн), доступные экспериментальной проверке. Гипотетико-дедуктивный способ построения теории был использован в трудах по популяционной генетике. Фундаментом модернизированного селекционизма стал синтез генетики и дарвинизма в трудах С. С.Четверикова (1926), изучавшего вместе с учениками в полевых и лабораторных условиях мутационную и рекомбинационную изменчивость, отдаленную гибридизацию, эволюцию доминантности, гетерозиготность, полиморфизм, гетерозис, мобилизационный резерв и их роль в эволюции (Б. Л. Астауров, Н. К. Беляев, С. М. Гершензон, Н. П. Дубинин, П. Ф. Рокицкий, Д. Д. Ромашов, Н. В. Тимофеев-Ресовский).

В тесной связи с перечисленными направлениями развернулись работы в области экспериментальной систематики (микросистематики) (Н. И. Вавилов, Дж. Клаузен, Ф. Сэмнер, В. В. Станчинский, Г. Турессон). Устоявшиеся представления о виде как системе с простым строением (монотип или совокупность нескольких разновидностей) не согласовывалось с экспериментальной генетикой, установившей массу наследственно различающихся форм внутри вида и даже разновидностей. Было доказано, что вид включает генетически различающиеся географические и экологические расы, местные популяции, а также различные внутрипопуляционные формы (экотипы, экоэлементы и т. д.). Было сформулировано понятие «биологического вида», установлены разные формы изоляции и механизмы ее поддержания.

Важное значение имели работы экологического профиля по изучению динамики численности и плотности популяций, внутривидовой и межвидовой конкуренции, взаимоотношений типа хищник-жертва, паразит-хозяин (Г. Ф. Гаузе, Дж. Лэк, Д. Н. Кашкаров,В. Н. Сукачев, Т. Парка, Ч. Элтон). Наряду с экспериментальными работами большое значение имело математическое моделирование борьбы за существование и естественного отбора (см. гл. 3.8). В центре исследований стояло изучение причин, вызывающих преобразования популяции, т. е. микроэволюцию.

Итогом всех этих исследований стало формирование современного дарвинизма, который был назван «синтетической теорией эволюции» (СТЭ). Она формировалась трудами многих ученых из разных стран путем интеграции знаний о факторах и закономерностях эволюции, добытых в разных отраслях эволюционной биологии. Представления об естественном отборе как движущей силе эволюции и популяции как ее элементарной единице стали теоретическим стержнем этого синтеза. В этом отношении СТЭ отличалась от других концепций эволюции, признававших элементарной единицей эволюции особь. Основы СТЭ заложила книга Ф. Г. Добржанского «Генетика и происхождение видов». (1937). К числу работ, предопределивших содержание СТЭ, относят также серию обобщающих трудов И. И. Шмальгаузена «Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии» (1938), «Пути и закономерности эволюционного процесса» (1939), «Факторы эволюции» (1946), книги В. Циммерманна «Наследование приобретаемых признаков и отбор» (1938), Дж. Хаксли «Эволюция. Современный синтез» (1942), Э. Майра «Систематика и происхождение видов» (1942), С. А. Северцова «Динамика населения и приспособительная эволюция животных» (1941), Дж. Симпсона «Темпы и формы эволюции» (1944), «Эволюция организмов» под ред. Г. Хеберера (1943), Б. Ренша «Новые проблемы эволюционного учения» (1947), Дж. Стеббинса «Изменчивость и эволюция растений» (1950).

Признание популяции элементарной единицей эволюции обусловило интерес к изучению основных типов видообразования (аллопатрического и сим-патрического, градуального и сальтационного, расщепляющего и синтетического). В 1940-1980-х гг. были выявлены различные пути образования вида на основе объединения генетической информации в результате отдаленной гибридизации, трансдукции, трансформации, симбиогенеза и горизонтального переноса наследственной информации. Разнообразие форм видообразования было продемонстрировано на различных объектах в полевых и лабораторных условиях (Ф. Г. Добржанский, Дж. Стеббинс, Э. Майр, Г. Д. Карпе-ченко, В. Грант, К. М. Завадский, М. Уайт).

Экспериментальные изучение в 1950-1970-х гг. отбора на ядоустойчи-вость различных видов насекомых, на резистентность микроорганизмов к антибиотикам, особенно исследования индустриального меланизма показали, что скорость отбора в природных и экспериментальных популяциях достаточно высока, чтобы обеспечить адаптивный ответ на изменения среды. Оказалось, что под контролем отбора находятся разнообразные признаки, в том числе и сами факторы эволюции (мутабильность, аппарат наследственности, репарационные механизмы и т, д.). Рецессивность контролируется отбором на устранение вредящего действия мутаций, на образование мобилизационного резерва, адаптивного фенотипа, на его упрочение и защиту от дезорганизующего действия новых мутаций.

Был выяснен селективный механизм поддержания невысокой численности популяций бабочек, подражающих несъедобным насекомым. Их малочисленность является условием выживания, так как при большой численности исчезал «эффект примеси» и птицы учились отличать имитаторов от моделей. Численность подобных видов регулируется летальными генами, концентрация которых бывает весьма высокой. У многих животных и растений были обнаружены гены, летальные или снижающие жизнеспособность в гомозиготном состоянии, а в гетерозиготном—повышающие жизнеспособность, иммунитет, экологическую пластичность и другие показатели. Классическим примером сбалансированного полиморфизма стал серповидноклеточный гемоглобин у геторозигот в популяциях человека, повышающий устойчивость к малярии, но усиливающий астму. Была выяснена роль отбора в регуляции численных отношений между различными формами в популяциях и условия перехода от сбалансированного полиморфизма к транзитивному, при котором усиливается преобладание одной (или нескольких) форм над другими, вплоть до полной перестройки состава популяций (Н. П. Дубинин, Г. Г. Тиняков, Э. Форд и др.).

В то же время стало понятно, что отбор имеет дело не с единичными генами или признаками, а с целыми фенотипами. В организме могут быть нейтральные и даже вредные признаки, так как генотип является целостной системой, постоянно интегрируемой естественным отбором.

Была уточнена общая характеристика отбора как дифференциального размножения. Создатели СТЭ разработали представления о преобразующих (накапливающий и интегрирующий) и поддерживающих (нормализирующий, центростремительный, стабилизирующий) формах естественного отбора и описали такие его ранее неизвестный формы как дизруптивный, частотно-зависимый, сбалансированный, катастрофический, отбор сородичей, К- и r- отборы.

Важнейшим положением СТЭ стало признание единства факторов микро - и макроэволюции. Их отличие усматривали только в особенностях действия, интенсивности, продолжительности и направленности. В середине XX в. был предложен ряд гипотез о движущих силах прогрессивной эволюции и ее критериях (Дж. Хаксли, В. Франц, К. М. Завадский, А. М. Миклин). Последовательно селекционистскую трактовку получили такие фундаментальные проблемы макроэволюции как темпы и формы эволюции, модусы филогенетического преобразования органов, соотношение филогенеза и онтогенеза, соотношение брадителической, горотелической, тахителической и квантовой эволюции, соотношение эволюции органов и функций. Создатели СТЭ включили в свои построения материалы, приводимые ранее в обоснование недарвиновских концепций, как это произошло с концепциями преадаптации, полифилии и ортогенеза.

Вместе с тем архитекторы СТЭ и их последователи отчетливо понимали незавершенность синтеза и признавали наличие большого количества нерешенных проблем, например, переход от одной адаптивной зоны в другую, роль дрейфа генов и других стохастических процессов, удельный вес отдельных факторов в детерминации эволюции, возможность симпатрического видообразования, неполнота палеонтологической летописи, филетические хиатусы, происхождение жизни и высших таксонов и т.д. Все же СТЭ была принята биологическим сообществом и до сих пор является доминирующей парадигмой.

Однако до 1960-х гг. сохранялись приверженцы прежних недарвиновских концепций. Нерешенные проблемы макроэволюции порождали новые варианты неокатастрофизма, получившие детальную разработку в теории типогенеза О. Шиндевольфа (1959, 1963). Сохранили своих сторонников и различные варианты телеологических концепций эволюции, связанных с отрицанием эволюции на базе стохастических механизмов. Их арсенал оставался достаточно широк: от принципов панпсихизма до данных термодинамики и кибернетики. Так, М. Ожо настаивал на том, что зародышевая плазма сознательно исследует возможности изменения своего внутреннего физико-химического равновесия, которые ей предлагаются мутациями. По мнению Р. Элкена, для эволюции существенным является не случай, а целенаправленный и осмысленный порядок. Поэтому живое является не случайным продуктом изменчивости и отбора, но основано на вечных, неотвратимых, более великих законах. П. Бриан утверждал, что эволюция не может быть математической игрой, так как статистические процессы не могут привести к творчеству.

Занимаясь системами управления концернов, С. Вир (1965) и в органической эволюции видел те же системы предетерминированности и планирования. Он считал несерьезной и неприемлемой для любого «кибернетика» мысль об эволюции на основе отбора. В то же время сами создатели кибернетики Н. Винер и У. Эшби разделяли взгляды архитекторов СТЭ. Отмечая увеличение степени упорядоченности в эволюции и ограниченность возможных комбинаций, идеи номогенеза на базе термодинамики развивали Н. А. Бирштейн и К. С. Тринчер, а с позиций морфологических закономерностей - С. В. Мейен и М. Гутман. По-прежнему продолжались попытки судить о филогенезе по аналогии с онтогенезом.

Сторонникам недарвиновских концепций эволюции в 1940-1950-х гг., как правило, были представители описательных отраслей биологии. Многие из них понимали, что гипотезы о существовании особых причин макроэволюции не доступны проверке. В итоге, оставаясь противниками теории естественного отбора, крупнейшие палеонтологи К. Бойрлен, А. Вандель, Л. Кено и О. Шиндевольф пришли к выводу, что селекционистское учение о микроэволюции остается единственной экспериментально обоснованной и проверяемой гипотезой.

 

3.10.4. Трансформация СТЭ в конце XX в.

 

Благодаря молекулярной биологии стали формироваться новые направления в изучении процессов эволюции. Было показано, что матричный синтез белков, устойчивость молекул ДНК и РНК в статике и при редупликации, механизмы репарации и т.д. обеспечивают хранение апробированных кодонов. В то же время ошибки редупликации, амплификация генов, деление участков хромосом на интроны и экзоны, структурные и регуляторные гены, мобильные диспергированные гены и различные факультативные генетические элементы обеспечивают огромную генетическую изменчивость. Изучение биохимического полиморфизма природных популяций показало громадный запас наследственной изменчивости, и этим был окончательно опровергнут тезис о недостаточности материала для действия отбора.

Расширение методов выявления отношений между различными таксонами дало возможность существенно скорректировать филогенетические линии и показало невозможность построения единого древа (см. гл. 3.9.2). В филогенетических исследованиях стали активно использоваться представления о молекулярных часах, ход которых основан на мутациях, накапливавшихся с постоянной скоростью. Полученные данные, в целом, соответствовали принятым схемам дивергенции таксонов.

Первыми начали применяться методы выявления близких в биохимическом отношении групп млекопитающих по реакции их крови на чужую сыворотку. В середине 1960-х гг. был предложен сравнительный анализ последовательностей ДНК, кодирующих белки гемоглобина и цитохром С. Геносистематики сделали попытку на базе изучения изменений последовательности нуклеотидов дать «окончательную истину молекулярной эволюции», определив в процентах гомологичные участки ДНК, количественно оценивая различия и сходства между всеми группами организмов от бактерий до человека. Во второй половине 1970-х гг. был предложен более универсальный маркер - последовательность нуклеотидов генов 58 рРНК и параллельно открыты архебактерии. Успехи вселяли уверенность в универсальность новых методик. Макроэволюция стала изучаться путем сравнительных исследований нуклеотидного состава ДНК у различных групп организмов, степени метилирования нуклеотидов и наборов фракций с разной степенью повторяемости и чередуемости.

Методы молекулярной гибридизации, предложенные в 1970-х гг., позволили работать как с отдаленными, так с близкими в систематическом отношении таксонами от империи до штаммов бактерий, экологических рас рыб, человека и т.д. Громадные перспективы для выяснения филогенетических отношений открылись с изучением нуклеотидного состава геномов. К настоящему времени расшифрованы геномы десятков видов. Комплекс данных по ультраструктуре клеточных органелл и анализу ДНК привел к возрождению на новом уровне концепции симбиогенетического происхождении клетки, энергично развиваемой Л. Маргулис (1975).

Идет интенсивный синтез морфологических, физиологических, биохимических и молекулярно-генетических знаний о внутриклеточных процессах на базе теории естественного отбора. Открытие Р. Робертсом и Ф. Шарпом (1977) расщепленных генов, существующих в генетическом материале ДНК или РНК в виде экзонов, указало на дополнительную возможность перекомбинации генов и позволило понять причины возникновения таких наследственных заболеваний как талассемия и миелолейкемия.

Исследования опухолевого роста, механизмов иммунитета, а также репаративных процессов в тканях и геноме показали существование отбора внутри клеточных популяций и на молекулярном уровне, где решающим критерием оказывается скорость саморепродукции. Поиск новых лекарств и средств борьбы с патогенными бактериями, вирусными заболеваниями и выяснение генетических основ многих болезней стали мощными подтверждениями теории естественного отбора. В свое время открытие Э. Дженннер ом(1749-1823) способа прививки натуральной оспы и микробная теория инфекционных заболеваний Л. Пастера (1822-1895) привели к выработке представлений об антителах в трудах Э. Ф. Беринга, А. Райта и С. Дугласа и к созданию общей теории иммунитета в трудах П. Эрлиха и И. И. Мечникова. Несмотря на различия в механизмах действия и фагоцитарная теория Мечникова, и гуморальная теория Эрлиха предполагали существование генетически закрепленного механизма иммунитета, готового действовать, как только чуждые тела проникнут в организм (селекционная интерпретация).

Когда были преодолены хирургические трудности в сшивании сосудов и в пересадке органов, оказалось, что главная проблема трансплантации заключается в том, что безупречно пересаженный орган отторгался иммунной системой. В 1919 г. Нобелевская премия была присуждена Ж. Борде за создание метода определения антигенов. Он показал, что при переливании крови иного биологического видау реципиента происходит гемагглютинация - склеивание эритроцитов - и объяснил это работой антител. В 1901-1902 гг. К. Ландштейнер и С. Шатток описали группы крови человека, определяющие реакцию на чуждые антигены путем образования антител. Они также установили, что антитела образуется и на введение искусственных антигенов. В результате большинство исследователей, включая Л. Полинга, стало исповедовать инструктивную интерпретацию, согласно которой механизм ответа генетически не детерминирован, а формируется после попадания антигена в организм. Иммунология стала использоваться для доказательства наследования приобретенных признаков, а П. Вентребер (1949) даже попытался создать «параллельную» генетику в виде «химического ламаркизма».

В конце 1950-х гг. Ф. Бернет, Д. У. Толмэдж и Дж. Ледерберг сформулировали клонально-селекционную теорию иммунитета, в которой предполагалось изначальное существование в организме клеточных клонов - групп иммунных клеток, объединенных общим происхождением. Во время внутриутробного развития и в начале постнатального развития клоны, способные отвечать на собственные антигены организма, элиминируются, и тем самым предупреждается разрушение организма собственной иммунной системой. Оставшиеся клоны активизируются, когда появляются «чужие» антигены. Базируясь на открытие Ф. Сенгером структуры молекулы инсулина и данных об иммунной реакции человека на введение бычьего инсулина, Бернет предположил, что антигенная информация сосредоточена в небольшой части молекул и показал пути формирования механизма различения организмом чужих и своих антигенов. Вместе с П. Медаваром, показавшим механизм формирования толерантности у млекопитающих, Бернет в 1960 г. получил Нобелевскую премию за открытие приобретенной иммунологической толерантности. Их труды опровергли инструктивную теорию иммунитета и утвердили его селекционистскую интерпретацию.

Почти одновременно Дж. Снелл доказал существование у позвоночных комплекса гистосовместимости - системы генов, регулирующих ответ на пересадку чужеродной ткани. В 1954 г. Ж. Доссе обнаружил, что кровь пациентов, которым многократно производили переливание крови, содержит антитела против донорских лейкоцитов, склеивая лейкоциты большинства других людей. В конце 1958 г. Доссе индентифицировал первый антиген гистосовместимости человека, а в 1965 г. описал систему лейкоцитарных антигенов у человека и соответствующие им гены. Вскоре Б. Бенасерраф показал, как эти гены регулируют не только ответ на пересадку чужеродной ткани, но и всю работу иммунной системы. Их работы были признаны открытием генетически детеминированных структур на поверхности клеток, регулирующих иммунологические реакции (Нобелевская премия за 1980 г.). Позднее П. Догерти и Р. Цинкернагель открыли механизм распознавания иммунной системой клеток, инфицируемых вирусом, благодаря одновременнному присутствию на ее поверхности комплекса двух антигенов - вирусного и трансплантационного (Нобелевская премия за 1996 г.).

Все многообразие антибиотиков было получено селективными методами (см. гл. 3.3.2). На селективной интепретации базировались и многие другие работы, удостоенные Нобелевских премий по физиологии и медицине за последние полвека: Д. Фрэнклин, Т. Уэллер и Ф. Роббинс за открытие способности вируса полиомиелета расти в культурах различных тканей (1954); Дж. Эдельман и Р. Потер за исследование химической структуры антител (1972); Б. Бламберг и Д. Гайдузек за открытия новых механизмов происхождения и распространения инфекционных заболеваний (1976); Н. Ерне, Г. Келер и С. Милыптейн за объяснение причин многообразия иммунной системы (1984); С. Тонегава за открытие генетического принципа происхождения разнообразных антител (1987); Дж. Блэк, Г. Элайон и Дж. Хитчингс за создание лекарств-блокаторов адренергических и гистаминовых рецепторов, а также за синтез нуклеиновых кислот (1988), Дж. Марри и Э. Томас за создание методов подавления реакции отторжения при пересадке органов (1990). Благодаря этим открытиям селекционные объяснения составляют основу современеной иммунологии.

Особое внимание было уделено проблемам причин нарушения нормального функционирования клеток, связанного с их перерождением в раковые. Впервые мысль о том, что некоторые опухолевые клетки растут не столько под действием внутренних факторов, сколько под влиянием вирусов, была высказана американцем П. Роусом в 1911 г. в ходе изучения саркомы и лейкозов у кур. И. Фибегер был первым, кто получил Нобелевскую премию (1926) за доказательство участия внешнего фактора (червя Gongylonema neopplastica) в образовании опухолей у мышей. Самому же Роусу потребовалось удивительное долголетие, чтобы не только дожить до признания своей гипотезы, но также получить за нее в 1966 г. Нобелевскую премию. Это произошло уже после того, как Р. Дульбекко и его коллеги открыли механизм действия онкогенных вирусов (Нобелевская премия за 1975 г.). Подтвердилось и предположение Роулса о том, что превращение нормальных клеток в раковые происходит не внезапно. Во второй половине 1970-х гг. Дж. Бишоп и Г. Вармус, изучая процесс трансформации клетки под воздействием вируса, установили, что онкоген в вирусе представляет собой не истинный вирусный ген, а клеточный ген, который вирус «подхватил» когда-то давно в ходе репликации в клетках. Тем самым было доказано клеточное происхождение ретровирусных онкогенов (Нобелевская премия за 1989 г.) и подтверждена связь эволюции вируса с онкогенными заболеваниями.

Многие открытия в области молекулярной биологии и созданные на их базе эффективные лекарства стимулировали мощную вспышку эволюции возбудителей инфекций и их переносчиков. Созданный П. Г. Мюллером ДДТ (Нобелевская премия за 1948 г.) стал не только мощным средством борьбы с переносчиками заболеваний и другими вредными насекомыми, но мощным фактором вымирания прежних форм и появления ДДТ-устойчивых рас. Были представлены доказательства того, что самые лабильные признаки организма – поведенческие - у животных, действующих на базе индивидуального опыта и обучения, контролируются естественным отбором. В работах К. фон Фриша, К. Лоренца и Н. Тинбергена было показано, что сложные поведенческие акты животных и человека являются выполнением генетически заданных программ, которые осуществляются в ответ на воздействие пускового раздражителя - фактора внешней среды (см. гл. 3.8). Расчленение сложных комплексов поведения на врожденные и приобретенные компоненты и их сравнительный анализ выявили стабильные звенья поведения, их «гомоло-гизацию» у разных животных. Изучение поведения как одного из факторов изоляции стало неотъемлемой частью эволюционной теории. Широкое развитие получили исследования структуры инстинктов, формирования приобретенных компонентов поведения, иерархии внутристадных отношений и т.д. Селективные интерпретации стали доминировать в гипотезах об эволюции надвидовых уровней организации жизни. Предлагаются гипотезы о специфических формах отбора (отбор видов, консорций, биоценозов и т.д.). Интересные попытки связать эволюцию всех уровней организации живого, включая биосферу, были предложены в трудах С. С. Шварца, М. М. Камши-лова и А. М. Уголева. Тем самым экспансия селекционизма продолжалась и он, по-прежнему, сохраняет функцию интегратора знаний об эволюции, добытых в разных отраслях биологи. Помимо сельскохозяйственной практики по выведению новых сортов растений и пород животных селекционизм составляет основу медицинских исследований, связанных с выявлением генетических причин заболеваний и средств лечения.

В то же время идет процесс изживания ультраселекционизма, связанного со стремлением все признаки объявить адаптивными. Важным шагом в его преодолении стала концепция нейтральной эволюции М. Кимуры (1968), Дж. Кинга и Т. Юкиса (1969) и Т. Ота (1972), показавших, что большинство однонуклеотидных замен в ДНК и соответствующих им изменений первичной структуры белков не имеет селективного значения и происходит в результате случайного закрепления «нейтральных» мутаций. Одновременно С. Оно (1970) выступил с гипотезой о важной роли дупликационных макромутаций в прогрессивной эволюции. Открытие мобильных диспергированных генов и мутаций регуляторных генов указывало на реальный генетический механизм скачкообразного возникновения новых таксонов (см. гл. 3.3).

Установление Дж. Мартином и И. Фридовичем в 1981 г. горизонтального переноса генетической информации между сребробрюшковыми рыбами (Leiognathidae) и биолюминистцирующими бактериями (Protobacter leiognathi) стимулировало дискуссию о возможности эволюции путем обмена генов между отдаленными таксонами. Р. Б. Хейсин (1984) рассмотрел экспериментальный материал по этой проблеме. Начался поиск механизмов, обеспечивающих стабильность видов в условиях проникновения в их генофонд перемещающихся генетических элементов других видов (внутрихромосомных транспозонов и им подобных элементов ДНК, внехромосомных пластид, способных интегрироваться в геном хозяина вирусов). Л. Я. Боркин и И. С. Даревский (1980) выделили специфическую форму видообразования - кредитогенез, когда в становлении нового вида используется лишь часть генетической информации одного из видов, ставших основой для образования гибридных форм.

Новейшие открытия опять подняли вопрос о наследовании приобретенных признаков. В качестве их молекулярно-генетических механизмов О. Ландманн (1991) называет: 1) наследование измененных структур клеточной оболочки или кортекса; 2) эпигенетические изменения без каких-либо модификаций ДНК; 3) наследование ДНК-модификаций, т. е. клонально передаваемых изменений в характере локального метилирования ДНК; 4) индуцированную утрату либо приобретение факультативных элементов генотипа. Генетики инициировали и обсуждение проблемы возникновения адаптивных или отбор-зависимых «направленных» мутаций (Дж. Кэйрнс, Б. Холл, Дж. Шапиро, М. Д. Голубовский).

Эти и другие открытия иногда пытались противопоставить СТЭ, провозглашая лозунг о ее глубоком кризисе и необходимости нового синтеза. Наиболее претенциозной в этом отношении была концепция «прерывистого равновесия» Дж. Гоулда и Э. Элдриджа (1972), оказавшаяся в центре ожесточенных дискуссий в 1980-х гг. В ней на базе морфологических данных по скорости макроэволюции утверждалось, что процесс образования новых видов протекает в короткие периоды геологического времени и сменяется длительными периодами стазиса. В качестве возможных механизмов видообразования назывались мутации регуляторных генов, дрейф генов и быстрые преобразования периферийных популяций. Видообразование рассматривалось в целом как неадаптивный процесс, а межвидовой отбор принимался за главный фактор макроэволюции. Как реакция на подобные попытки критики СТЭ возник ультраселекционизм в виде социобиологии Э. Вильсона (1975) или концепции эгоистичного гена Р. Доукинса (1976).

Итогом дискуссий вокруг новейших открытий стало признание их полной совместимости с СТЭ. Было признано, что эволюция молекулярных структур протекает в рамках единого эволюционного процесса, совершающегося на всех уровнях организации живого, но его движущие силы приурочены к популяционно-видовому уровню, на котором в рамках биоценотических взаимодействий и происходит окончательная апробация эволюционных новшеств. Представления об эволюции как сопряженном процессе, протекающем одновременно в рамках основных форм существования живого, позволяют более полно синтезировать данные разных наук. Вместе с тем возникла необходимость в создании частных теорий эволюции, учитывающих особенности действия общих причин эволюции в отдельных крупных таксонах. Плодотворность такого подхода в 1980-х гг. на примере простейших продемонстрировал Ю. И. Полянский.

Историко-научный и философский бестселлер последних лет Д. Деннета «Опасные идеи Дарвина. Эволюция и смысл жизни» (1995) начинается с того, что автор всю жизнь находил удивительным, сколь велико разнообразие мыслителей, которые не могли скрыть чувство дискомфорта от теории Дарвина. Дискуссии вокруг проблем эволюции связаны с тем, что дарвиновская революция все еще продолжается, вызывая яростное сопротивление людей, приверженных архаичным, мифологическим формам мышления. Однако эволюционная теория, осуществляя синтез знаний из разных областей биологии, способствовала выработке оптимистического воззрения на жизнь и эволюцию, завершившуюся созданием человека, с его разумом, языком, религией, моралью, этикой, искусством, наукой и другими формами культуры, коренным образом отличающие Н .sapiens sapiens от всех других животных. И в этом долгом процессе становления человека реализовались самые разнообразные формы эволюции от суммирования мелких изменений до крупных сальтационных перестроек. Синтез все новых тем, обобщений и фактов идет непрерывно, зачастую вопреки намерениям приверженцев той или иной точки зрения.

 

Литература

Воронцов Н. Н. Развитие эволюционных идей в биологии. - М.: Прогресс, 1999.

Завадский К. М. Развитие эволюционной теории после Ч. Дарвина. - Л.: Наука, 1973.

Галл Я. М. Становление эволюционной теории Чарльза Дарвина. - СПб.: Наука, 1993.

Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. - СПб.: Борей Арт, 2000.

Колчинский Э. И. Неокатастрофизм и селекционизм: Вечная дилемма или возможность синтез? (Историко-критические очерки). - СПб.: Наука, 2002., Развитие эволюционной теории в СССР/Ред.-составитель Э. И. Колчинский.—Л.: Наука, 1983.

Яблоков А. В., Юсупов А. Г. Эволюционное учение, - М.: Высшая школа, 1989

 

3.11. Антропология и эволюция человека

 

Подобно другим видам Homo sapiens уникален. Человечество обладает замкнутым генофондом, собственной экологической нишей и специфической совокупностью биохимических, физиологических, морфологических и этологических признаков, воспроизводящихся устойчиво в течение поколений. Среди них называют совпадение фундаментальной и реализованной экологических ниш, занятие верхнего звена в трофической цепи, способность выполнять различные экологические роли, полифагию, использование огня, бипедию, трехмерное цветовое зрение, сложный и крупный мозг, двусторонний) его асимметрию в распределении зон, управляющих логическим и образным мышлением, речь, способность к спариванию и к размножению в течение всего года, длительный период воспитания потомства, отсутствие волосяного покрова и терморегуляцию потовыми железами.

Последние десятилетия существенно изменили наши знания об основных этапах эволюции человека и ее движущих силах, об его взаимоотношениях с другими группами гоминид, о биологических предпосылках возникновения сознания и морали. В то же время остается много неясного в происхождении гоминид. Существуют различные интерпретации их ископаемых останков и модели движущих сил эволюции. Наука не дает однозначного ответа на вопросы о причинах и датах появления того или иного признака, оказавшего решающее воздействие на становление человека. Каждая из характеристик, включая способность к изготовлению примитивных орудий, звуковую сигнализацию, речь и сознание, могла развиваться независимо друг от друга, под влиянием разных селективных сил. Не всегда остались хотя бы косвенные следы этой эволюции. Вместе с тем история антропологии однозначно свидетельствует, что данные отдельных наук о биологии человека получают непротиворечивую, комплексную интерпретацию лишь в рамках эволюционизма.

 

3.11.1. Возникновение эволюционной антропологии

 

Вопреки широко распространенному мнению, Дарвин не является автором гипотезы о происхождении человека от обезьяны. Более того, он, напротив, не желал быть первым в ее выдвижении. 22 декабря 1857 г. он писал А. Уоллесу: «Вы спрашиваете, буду ли я обсуждать «человека». Думаю обойти весь этот вопрос, с которым связано столько предрассудков, хотя и допускаю, что это высшая и самая увлекательная проблема натуралиста». В «Происхождение видов» он только вскользь отметил в заключительной главе, что благодаря теории естественного отбора «много света будет пролито на происхождение человека и его историю». И, действительно, его труд ускорил формирование эволюционной антропологии. Ее главными задачами стали: 1) доказательство сходства между человеком и высшими антропоидами; 2) установление их филогении; 3) изучение расогенеза и эволюции современного человека.

В период расцвета колониальных империй антропология приобретает особое геополитическое значение. Создаются антропологические лаборатории, кафедры, журналы и общественные организации. Впервые это произошло в Париже, где в 1858 г. П. Брока (1824—1880) основал антропологическую лабораторий- Годом позже по его инициативе были созданы Антропологическое общество, Антропологическая школа и музей. В 1863 г. Антропологическое общество возникает в Лондоне, немного позднее в Германии, Италии и других странах. В 1864 г. А. П. Богданов (1834—1896) организует антропологический отдел Общества любителей естествознания при Московском университете. В 1878 г. путем слияния Анатомического и Этнографического музеев Императорская Академия наук учредила Музей антропологии и этнографии. С 1861 г. регулярно организуются международные конгрессы по вопросам антропологии. Инициатором первого из них в Геттингене был К. М. Бэр.

В 1865 Г. Брока выпустил первое в мире руководство по антропологии и краниометрии, создал ряд приборов, инструментов и инструкций для измерения тела и черепа человека, определения его пигментации. Дальнейшее усовершенствование методов антропометрии связано с именем немецкого антрополога Р. Мартина (1864 - 1925), который собрал в единую сводку цифровые данные об изменчивости остеологических, краниологических и анатомических признаков. Его методика и инструментарий (штанговый антропометр, скользящий циркуль и т. д.) используются до сих пор.

Изучением сходства человека и высших приматов почти одновременно вместе с Броком занялись англичанин Т. Гексли (1825 - 1895), немцы К. Фохт (1817—1895) и Э. Геккель (1834 - 1919). В 1861 г., изучая головной мозг человека и приматов, Брока определил центр речи, названный его именем. Он же создал первые цитоархитектонические карты головного мозга приматов и человека. В 1863 г- Гексли опубликовал небольшую книгу «Свидетельства о месте человека в природе», в которой систематизировал данные сравнительной анатомии, морфологии и эмбриологии о близости человека к обезьянам. Его безусловная победа в открытом диспуте с епископом Уилбефорским показала, насколько уязвимыми оказываются доводы, противоречащие фактам. Популярным стало выражение Гексли, что лучше иметь своим предком обезьяну, чем дегенерировавшего демагога, происходящего от Адама.

В том же 1863 г. Фохт опубликовал два тома «Лекций о человеке, его месте в мироздании и в истории Земли». В них заложены основы эволюционной антропологии, построенной на использовании данных сравнительной анатомии, эмбриологии и палеонтологии. Идею промежуточного звена Фохт выразил в формуле: «телом человек, разумом обезьяна», оставлявшей непонятным переход от «неразумной обезьяны» к «разумному человеку». Неандертальца он рассматривал как возврат человека к обезьяне и предложил в 1867 г. концепций микроцефалии, постулировавшей существование в прошлом переходной формы с малым объемом мозга.

К тому времени ученый мир признал неандертальца самостоятельным видом - N. neanderthalensis (так назвал его в 1864 г. ирландский анатом У. Кинг). В 1868 г. французский археолог и геолог Л. Ларте нашел останки кроманьонца, оказавшегося древнейшим представителем Н. sapiens. Вставала задача обнаружить промежуточное звено между человекообразными обезьянами и человеком, которым не мог быть неандерталец ввиду его явной близости к человеку. В 1866 г. Геккель построил генеалогическое древо позвоночных и млекопитающих, расположив человека в отряде приматов рядом с гориллой и орангутангом. Он же постулировал существование Рithecanthropus alarus (обезьяночеловека не говорящего) и даже предложил его изображение. Позднее Геккель попытался представить в виде единого древа всю филогению человека от гипотетических монер.

В 1865 г. Ф. Гальтон опубликовал в Лондоне книгу «Наследственность таланта и характер», в которой утверждал, что не только физические, но и психические признаки человека генетически детерминированы, а, следовательно, возникли под действием отбора. Индивидуальную изменчивость человека по умственным, волевым и этическим признакам он объяснял наследственными различиями и предложил ряд тестов и методов для ее изучения. Он был одним из создателей биометрии и применил метод корреляции для определения наследования психических и когнитивных признаков.

Только в 1871 г., когда общество было ознакомлено с доказательствами о животном происхождении человека, Дарвин публикует книгу «Происхождение человека и половой отбор», содержащую гипотезу происхождения человека, гориллы и шимпанзе от общих предков - высокоразвитых обезьян, обитавших в Африке. Он описал механизм становления человека под действием отбора, сохранявшего признаки, повышавшие шансы на репродуктивный успех, но полезные и другим особям данной группы, укрепляя сотрудничество между ними. Шансы на выживание и эволюционную экспансию, по Дарвину, были выше у тех стад предков людей, в которых чаще встречались особи с зачатками человеческих черт (смелость, альтруизм, доброта, взаимопомощь, забота о потомстве и т.д.), Этой проблематике была посвящена и следующая книга Дарвина «Выражение эмоций у человека и животных» (1872).

Таким образом, дарвиновская интерпретация симиальной гипотезы появилась десятилетие спустя после того, как последняя была аргументирована другими биологами и антропологами. Приоритет в выдвижении самой идеи об эволюционном происхождении человека, бесспорно, принадлежит Ламарку. Однако именно Дарвин впервые дал естественнонаучное объяснение причин антропогенеза, что вызвало взрыв негодования в обществе, посчитавших саму идею аморальной. Многие ученые стремились объединить идею эволюции с верой в Бога как первопричину эволюции, конечная цель которой - возникновение человека (К. Бэр, А. Виганд, В. Вааген, Э. Гартман, Н. Я. Данилевский). В книге «Геологические доказательства древности человека» (1863) Ч. Лайель пришел к выводу о совместимости убеждения о постепенных преобразованиях органического мира, завершившихся возникновением человека, с естественной теологией. Соавтор гипотезы естественного отбора А. Уоллес сохранял дуализм в объяснении причин антропогенеза, полагая, что физическая природа человека создана отбором, а сознание - Творцом. Да и сам Дарвин вначале допускал, видимо, возможность подобного «сотрудничества», говоря об эволюции первоначальных форм по установленным Творцом законам. От нападок на эволюционное учение воздерживалось руководство православной церкви, в то время как папский престол предпринял безуспешную попытку запретить его.

Негодование публики вызвали попытки объяснить дарвиновскими механизмами историю человечества, получившие воплощение в социал-дарвинизме. Сам Дарвин, принимавший современное человечество за один вид, не причастен к его возникновению. Инициатива переноса на человеческое общество борьбы за существование и естественного отбора принадлежит английскому идеологу либерализма Г. Спенсеру (1820—1903). В Германии его поддержал Э. Геккель, который выступил инициатором использования дарвинизма для внутриполитического развития государства. Он уверял, что смертная казнь для преступников и негодяев является не только справедливым возмездием, но и благом для человечества, лишая их возможности передать потомкам дурные наклонности. О приложении принципа борьбы за существование к человеческому обществу писал кумир российских нигилистов Д. И. Писарев (1840—1868), оправдывая ссылками на дарвинизм революционную борьбу и террор. Попытки научно обосновать социальную жестокость вызывали неприязнь у гуманистически настроенной интеллигенции, выраженной не только в сочинениях писателей (Ф. М. Достоевский, Л. Н. Толстой), но ученых и популяризаторов науки (Н. Я. Данилевский, Н. Н. Страхов). Попытки И. И. Мечникова и А. С. Фаминцына ввести дискуссию в научные рамки оказались безуспешными.

Существенный вклад в распространение социал-дарвинизма внесли работы Ф. Гальтона, который пришел к выводу, что носители вредных свойств (умственно отсталые, алкоголики, проститутки, преступники и нищие) в обществе размножаются быстрее, чем индивиды, обладающие социально ценными признаками, что неизбежно ведет к деградации человеческого общества. В 1883 г. он предложил улучшать человеческую расу тем же способом, как это происходит в органическом мире, т.е. путем негативной и позитивной селекции. Гальтон был уверен, что социальный контроль и отбор улучшат генофонд будущих поколений.

 

3.11.2. Между наукой, политикой и идеологией

 

К концу XIX в. антропология приобрела геополитическое значение. На грандиозных выставках, призванных отразить достижения великих держав, все большее места занимают антропологические экспозиции, поддерживающий миф об их исторической миссии. Сборы черепов, ископаемых костей и каменных орудий должны были укреплять веру в прогрессивность европейской цивилизации. Тон задала Всемирная выставка в Париже в 1889 г., где была развернута масштабная экспозиция по антропологии. Более 500 фотографий, сотни черепов и бесчисленные каменные рубила должны были убедить зрителей в эволюционных связях человека с человекообразными обезьянами, а заодно обеспечить увеличение финансирования антропологических исследований. Антропологи, играя на националистических чувствах, выносили внутринаучные дискуссии на широкую публику.

В этом отношении характерны поиски промежуточного звена. Голландский врач Э. Дюбуа (1858—1940) в 1884 г. отправился искать его не в Африку, а на Яву - в колонию своей страны, получив поддержку местных властей. В 1891-1892 гг. он обнаружил там фрагменты (зуб, фрагмент черепа и бедренную кость) скелета, который он посчитал останками геккелевского питекантропа, назвав его в 1894 г. Рithecantropus erectus, т. е. обезьяночеловек прямоходящий. Он жил примерно миллион лет тому назад. Одни антропологи (Р. Мартин) поддержали его, другие (Р. Вирхов) считали, что найденный череп принадлежал гиббону. Тогда Дюбуа решил апеллировать к публике. На Всемирной выставке в 1900 г. была представлена реконструкция питекантропа, демонстрировавшая наличие всех предполагаемых признаков гипотетической промежуточной формы. Скульптура вызвала сенсацию в обществе, но в научных кругах на нее едва обратили внимание. Раздосадованный Дюбуа надолго спрятал свои находки в сейф, не допуская к ним даже специалистов.

В 1908 г. немецкий антрополог Г. Швальбе сделал попытку привести в систему данные об этапах развития человека, расположив их хронологически в единый филогенетический ряд: питекантроп, неандерталец, кроманьонец, современный человек. В том же году другой немецкий антрополог О. Шезен-зак опубликовал описание челюсти гейдельбергского человека (Н. heidelbergensis) как связующего звена между питекантропом и неандертальцем. На этот раз английские антропологии не спешили признать подобную интерпретацию. Вскоре, к их радости, геолог-любитель Ч. Доусон (1864-1916) «открыл» череп человека, признанный палеонтологом А. Смитом промежуточным звеном между питекантропом и человеком и названный Еоапthropus dawsonii или «пильдаунским человеком». Англия, как казалось многим ее патриотам, могла быть признана прародиной человечества, но в начале 1950-х гг. с внедрением новых методов исследований выяснилось, что пильдаунский человек - плод искусной мистификации.

Начиная с 1928 г. Д. Блэк, а позднее Ф. Вайденрайх провели раскопки вблизи Пекина, выявившие многочисленные останки синантропа (Sinanthropus pikensis), морфологически близкого к питекантропу и поэтому отнесенного к обезьянолюдям и помещенного между питекантропом и гейдельбергским человеком. Их реконструкцию произвел Вайденрайх, который ввел в науку термин Н. егесtus (последний обитал примерно 350 тыс. лет тому назад). Теперь уже сторонники идеи о том, что именно Азия, откуда происходили арийцы, была центром формирования человечества, могли торжествовать. Католический монах и палеонтолог П. Тейяр де Шарден стал знаменит своими исследованиями синантропов.

В 1939 г. Беркгемер при разработке гравийного карьера вблизи Штенгейма в Германии обнаружил останки с примитивными признаками человека разумного, получившие позднее, после открытия в середине 1950 г. аналогичных находок в Англии, название сванкомбского человека, возраст которого датируется примерно в 250 тыс. лет. И вновь казалось, что центр возникновения человечества, на радость местным патриотам, перемещался в Европу.

В 1924 г. палеонтолог из ЮАР Р. Дарт доказал правильность гипотезы Дарвина об Африке как прародине человека. Вблизи станции Танг в пустыне Калахари он нашел почти полностью сохранившийся детский череп австралопитека ustralopithecus africanus), т. е. африканской южной обезьяны как переходного звена между человекообразными обезьянами и питекантропом. И хотя часть антропологов оспаривала это открытие из-за ювенильных обезьяньих черт, в 1936 и 1938 гг. шотландский палеонтолог Р. Брум нашел взрослые особи австралопитековых и описал два новых вида А. transvalensis и A. robustus, назвав последнего парантропом. Позднее Дарт и Брум нашли еще три формы австролопитековых, выделенных ими как раздельные виды. Возрастало число находок и ранних гоминоидов (рамапитек, гигантопитек, дриопитек и т.д.).

Уже к середине XX в. гипотеза происхождения человека от обезьяноподобных предков превратилась в научную концепцию, подкрепленную прямыми палеонтологическими доказательствами о существовании переходных форм, многочисленными находками древних орудий и остатками жизнедеятельности первобытных людей. Попытки ее запретить, как это произошло на «обезьяньем процессе» в г. Дайтоне (США), по словам Бернара Шоу, сделали целый континент посмешищем в глазах мировой общественности и ускорили отход даже религиозных мыслителей от ортодоксально-библейского креационизма.

Вместе с тем оставалось много неясного в последовательности этапов антропогенеза и его движущих силах. Практически каждой находке присваивали родовое или видовое название и выделяли ее как свидетельство особого этапа в генезисе человека. Предполагалось, что каждое из звеньев эволюционной цепи выступало на арену жизни после вымирания своего предшественника. Сформировались два подхода в объяснении причин антропогенеза. Один из них базировался на ламаркистском принципе наследования признаков человека, вырабатываемых под влиянием труда. Трудовая концепция происхождения человека предполагала его принципиальное отличие от животных. Опубликованная в 1925 г. в СССР в книге Ф. Энгельса «Диалектика природы» она была признана основополагающей для марксизма и в течение нескольких десятилетий доминировала в социалистических странах. Второй подход продолжал дарвиновскую традицию поиска биологических причин формирования человеческих признаков. Были и попытки совместить теорию Дарвина с трудовой гипотезой путем постулирования специфических форм отбора: «трудового», «культурного», «биосоциального» и т. п.

Для обозначения процесса трансляции культуры не через половые клетки, а посредством обучения были предложены такие понятия как «сигнальная наследственность», «надгаметные связи», «социальное наследование». В 1926 г. Л. Больк впервые указал на неотению как механизм ускоренного перехода от обезьяны к человеку. В пользу этой гипотезы говорило наличие у человека признаков, характерных для детенышей шимпанзе (слабо выступающая вперед морда, тонкие кости черепа, отсутствие надглазничных валиков, небольшие челюсти, слабо развитый волосяной покров, направленность у самок влагалища вперед и т. п.). По его мнению, неотения была морфогенетическим механизмом, сделавшим возможным быстрое становление прямохождения, крупного мозга, подвижной руки и т. д.

Религиозные убеждения, политические симпатии и националистические предрассудки ярко проявились в расоведении, занимавшемся классификацией человеческих рас, поисками географических центров их происхождения, антропологическим составом народов мира. Результаты изучения переходов между основными расами и огромного диапазона изменчивости в популяциях человека требовали или признать современное человечество единым, или создать дробную классификацию рас. Первоначально антропология пошла по второму пути. В начале XX в. итальянский антрополог Ж. Руджерн выделил восемь «элементарных видов» у современного человека, И. Дениер разделил человечество на 29 рас, объединенных в шесть групп. Позднее выделяли даже 37 рас и 30 субрас (Б. Лундманн). Предпринимались попытки найти так называемые национальные типы.

Все это использовалось политиками для выделения «истинных» представителей тех или иных рас, прежде всего арийской, и для расчленения человечества на расы господ и рабов. Нацисты целые народы приговаривали к уничтожению как расово неполноценные. Значительная идеологическая нагрузка содержалась и в дискуссиях о моно- или полифилетическом происхождении человека. Вайденрайх насчитал четыре центра его происхождения в соответствии с основными расами: Африка (негроидная), Европа (европеоидная), Восточная Азия (монголоидная) и Юго-Восточная Азия (австралоидная). Сторонники широкой полифилии утверждали, что каждая раса имела своего предка среди неандертальцев и даже питекантропов, обитавших там, где живут их современные потомки. Проводились экзотические опыты по искусственному оплодотворению человекообразных обезьян спермой представителей разных рас с целью доказать их близость.

Широкую популярность получили и евгенические мероприятия. В необходимости их для оздоровления наций были уверены не только националисты, но и либералы, и социалисты. В 1904 г. Ф. Гальтон создает в Лондоне Бюро по евгенике, давшее начало Лаборатории по национальной евгенике и Евгеническому просветительскому обществу (1927). Однако британские традиции в области прав человека оказались несовместимыми со стерилизацией людей; соответствующие проекты законов были провалены Палатой общин. Безуспешными оказались попытки внедрить евгенические мероприятия в СССР, где в начале 1920-х гг. интенсивно шла институционализация евгеники: Н. К. Кольцов (1872-1940) создал Русское евгеническое общество и евгенический отдел в Институте экспериментальной биологии, а Ю. А. Филипченко (1882-1930) в Петрограде-Бюро по евгенике РАН. Как и их зарубежные коллеги, основатели евгеники в России были преисполнены оптимизма относительно ее возможностей и обещали путем стерилизации, искусственного оплодотворения и подбора пар ликвидировать болезни, улучшить породы людей и даже обеспечить досрочное выполнение пятилетних планов. Но вскоре евгеника в Советской России была осуждена, евгенические учреждения, печатные издания и общество закрыты. На десятилетия были прекращены исследования и по медицинской генетике.

Иначе сложилась ситуация в США, Германии и других странах. В США евгеника, горячим адвокатом которой стал генетик Ч. Девенпорт (1866 – 1944), быстро завоевывала популярность, и в 1921 г. возникло влиятельное Американское евгеническое общество. В практику были внедрены тесты на интеллект. Некоторые штаты приняли законы о принудительной стерилизации лиц, как правило, выходцев из Африки и Азии. Особенно дикие формы евгенические мероприятия приняли в Германии, где основатели евгеники и расовой гигиены (В. Шальмайер, А. Плётце) и их последователи (Е. Фишер, Ф. Ленц, О. фон Вершуер) образовали прочный союз с консервативными и праворадикальными кругами. Еще до прихода Гитлера к власти были созданы Институт генеалогии и демографии в Мюнхене и Институт антропологии, наследственности человека и евгеники в Берлине. В Веймарской Германии при поддержке социал-демократов был принят закон о стерилизации людей с умственными или физическими недостатками, если они или их опекуны давали согласие. Аналогичные законы были приняты в скандинавских странах и Швейцарии, где они применялись до 1960-х гг., часто втайне от общественности.

В ранг государственных приоритетов евгеника была поставлена в нацистской Германии. Здесь антропологи и расовые гигиенисты активно участвовали в принятии законов о насильственной стерилизации и эвтаназии «неполноценных». Они служили «расовыми экспертами» в селекции и оценке жертв. Немецкая антропология прошла путь от идей превосходства и улучшения собственной расы к уничтожению целых народов, объявленных «недочеловеками». Ужасная практика нацизма вызвала мощную волну против евгенических мероприятий по расовым и социальным соображениям и к запрету регулировать генетический состав популяций человека. К тому же выяснилось, что наши знания о генетике человека явно недостаточны для проведения подобных мероприятий. 3.11.3. Эволюционная антропология во второй половине XX в.

В 1950—1970-е гг. биохимия и молекулярная генетика предоставила новые методы для выяснения филогенетических связей человека с другими гоминидами. Геносистематика и секвенирование генов дали возможность проводить сравнительное изучение геномов. Широкое развитие получили исследования генетики различных популяций человека, генетической изменчивости целых народов и стран. В 1947 г. американский химик Ф. Либби (1909 - 1980) разработал радиоуглеродный метод, позволивший более точно датировать возраст ископаемых находок. Экспериментальные и полевые исследования поведения гоминид и других наземных обезьян, организации их стадной жизни, способов общения, использования ими сигналов и орудий стали важнейшими доказательствами отсутствия резких разрывов между человеком и высшими обезьянами в организации социальной жизни. Антропология все более освобождалась от воздействия идеолого-политических факторов и превращалась в точную науку. Даже папа Иоанн Павел II признал необходимым, чтобы верующие изучали теорию Дарвина, в которой показан способ, каким Бог создал органический мир и человека.

Поворотным пунктом в изучении ископаемых останков человека стали раскопки в 1950 - 1970-х гг. супругов Льюиса и Мэри Лики и их сыновей (Джонатан и Ричард). В Восточной Танзании в 1959 г. М. Лики обнаружила останки зинджантропа (по-арабски восточный человек), сочетавшего промежуточные черты между австралопитековыми и древнейшими людьми. Там же была обнаружена древнейшая каменная культура (олдовайская), гальки из лавы и кварцита, превращенные в рубящие и режущие орудия. Сенсацией стала находка Дж. Лики 2 ноября 1950 г. вблизи оз. Туркан на северо-востоке Кении черепа существа, названного вначале презинджантропом, т.е. предшественник человека, а позднее в 1964 г. признанного древнейшим человеком Н. Наbilis, жившим примерно 2 млн. лет тому назад. Оказалось, что, морфологически почти не отличаясь от австралопитековых, человек умелый уже изготовлял примитивные орудия олдовайской каменной индустрии. В 1968 г. Р. Лики начал раскопки в Эфиопии северо-восточнее оз. Рудольф. По количеству ископаемых гоминид это местонахождение не имеет равных в мире. За пять лет были обнаружены останки более 80 особей австралопитековых и древнейших людей, и доказано, что в течение более миллиона лет они обитали в одних и тех же экосистемах. В 1960-х гг. японский археолог Хисаши Судзуки провел раскопки пещеры Амуд в Израиле. Найденные там кости и орудия, датируемые возрастом в 100 тыс. лет, оказались переходными между неандертальцем и современным человеком, между мустьерской и позднепалеолитическими культурами. Новый свет на образ жизни неандертальцев и их обычаи пролили раскопки американского археолога Р. Соловки, проведенные в том же десятилетии в пещере Шанидар в Иране.

Статистические сравнения по многим признакам неандертальцев, находки которых исчисляются теперь сотнями, с современными расами опровергли предположения о тесном генетическом родстве между ними. Широта изменчивости у ископаемых форм оказалась больше, чем у человека. Это послужило основанием для исключения из прямой родословной классических неандертальцев, найденных в Европе, и признания центром возникновения человека разумного Ближний Восток и Средиземноморье.

В 1974 г. Дж. Джохансон около г. Хадар в Эфиопии открыл останки Аustralopithecus africanus, который жил 3,8 млн. лет тому назад, вел полуназемный образ жизни, характеризовался бипедией, хотя и имел обезьяноподобные челюсти и череп. Этот вид стал первой формой, связавшей предков человека и шимпанзе. Находка подтвердила выводы молекулярной генетики о недавней их дивергенции. В начале 1990-х гг. Т. Уайт и М. Лики нашли еще более ранние формы гоминид Ardipithecus ramidus (боковая ветвь гоминин) и на сегодня самого примитивного австралопитека - А. апатепsis. Тем самым гипотеза Дарвина об Африке как центре формирования гоминин была подтверждена палеонтологически. Было найдено немало останков древних представителей гоминоидов из семейства Рlopithecidae (плиопитек, проплиотек и дендропитек). Предков современных гоминин в настоящее время ищут среди представителей подсемейства Dryopithecidae (дриопитек, рангвапитек, ксенопитек, проконсул, лимнопитек), появившихся в Африке 22—15 млн. лет тому назад.

Сегодня филогения гоминид документирована лучше, чем других семейств. Найдены не только промежуточные виды, но и десятки и сотни внутривидовых форм из разных регионов. Все это привело к существенным изменениям в современных представлениях об антропогенезе. Новейшие палеонтологические, цитогенетические и молекулярно-биохимические данные внесли существенные исправления в систематику приматов. Н. sapiens; относят теперь к семейству гоминид, куда включают три подсемейства: вымершие дриопитеки (Dryopithecidae); понгины onginae), современные формы которых представлены орангутаном; гоминины (Нотттае), куда включают две трибы Рапini и Нотinini. В первую из них входят два вида шимпанзе (Рап trodlodytes Р. рапiscus) и горилла (Gorilla gorilla). Во вторую трибу из современных видов входит только Н. sарiепs. К ней относят все вымершие виды австралопитековых и человека.

Подтвердилось и дарвиновское предположение, что к человеку ближе всего горилла и шимпанзе. Им свойственны одни и те же группы крови. Базируясь на данных молекулярной биологии и концепции «молекулярных часов» А. Уилсон и В. Сарыч в 1969 г. показали, что эволюционные линии шимпанзе и человека разошлись максимум 5 - 8 млн. лет назад. Сенсационными оказались исследования молекулярного состава хромосом, оказавшимися сходными на 99%, что обычно характерно для видов одного и того же рода. Сравнение различий в аминокислотах многих белков дали сходные результаты. У шимпанзе имеется лишь дополнительная пара хромосом. У всех гоминин установлены сходные типы хромосомного полиморфизма. Многолетние наблюдения за жизнью шимпанзе в естественных условиях, начатые Дж. ван Гудолл в 1960 - 1970-х гг., дали отологические доказательства близости человека по интеллектуальным свойствам и поведению.

Комплексный анализ ископаемых гоминин и результатов молекулярно-генетических и этологических исследований привел некоторых авторов к выводу, что шимпанзе и человек относятся к одному роду и даже являются видами-двойниками. Эта мысль, высказанная в 1967 г. английским этологом Д. Моррисом в знаменитой книге «Голая обезьяна», окончательно подорвала догмат об исключительном положении человека. Через двадцать пять лет американский физиолог Дж. Диамонд опубликовал книгу, в которой даже назвал человека «третьим видом шимпанзе» ввиду их огромного сходства по молекулярным и поведенческим признакам. Подобные выводы базируются на переоценке молекулярных данных и недоучете морфологических различий. Морфологическая эволюция предков человека шла более быстрыми темпами, чем молекулярная, что возможно, когда эволюционные изменения обусловлены мутациями регуляторных, а не структурных генов.

Ископаемые находки людей антропологи обычно укладывают в три вида Нотo habilis, Н. еrесtus и Н. sapiens. При этом предполагается одновременное существование разных видов гоминин, высокий размах их внутривидовой изменчивости, широкий географический ареал, сложные внутривидовые и межвидовые отношения. Стало ясно, что их филогения представляет собой совокупность многих линий, из которых только одна достигла уровня человека. Сам этот процесс представляется в наши дни гораздо более длительным, чем казалось всего несколько десятилетий назад, и занял более 4 млн.

лет, в том числе более 2,5 млн. лет приходится на видообразование в роде Нотo. При этом к Н. еrесtus относят питекантропа, синантропа, мегантропа, телантропа, гейдельбергского человека и еще несколько форм, обнаруженных в Юго-Восточной и Восточной Азии, в Европе и Африке, а неандертальцев чаще всего оценивают как подвид человека разумного - Н. sapiens пеапderthalensis. Современного человека считают другим таким подвидом, обозначаемым как Н. sapiens sapiens.

Переход от архаичных форм человека разумного (родезийский человек, сванкомбский человек, группа Схул из палестинской пещеры, останки из пещер Шанидар, Амуд и Кафзех, Тешик-Таш) к современным расам остается сложнейшей загадкой. Палеоантропологические данные в сочетании с результатами исследований нуклеотидных отличий в митохондриальной ДНК позволяют предположить, что человек возник примерно 150 тыс. лет тому назад и все народы происходят от маленькой группы. Не позднее 120-100 тыс. лет тому назад произошла встреча ее потомков с поздними или классическими неандертальцами на Ближнем Востоке, где не раз их стоянки замещали друг друга. Ископаемые останки современного человека, датируемые в пределах от 100 до 60 тыс. лет тому назад, обнаружены на огромной территории от Южной Африки до острова Борнео. 40—30 тыс. лет тому назад он расселился по Западной Европе. Причем у скелетных фрагментов уже обнаруживается сходство с современными расами (европеоидами, негроидами, монголоидами и австралоидами). Судя по изученным общим нуклеотидным последовательностям, негроидная раса ближе всего к европеидной. В то же время возникли серьезные сомнения в том, что расовые признаки (цвет кожи, строение тела и т.д.) являются биологическими адаптациями. Их появление, скорее, объясняется дрейфом генов и метисацией.

Отсутствие связи между быстро нараставшим объемом головного мозга в эволюции гоминин и прогрессом орудийной техники оказалось непреодолимым препятствием для трудовой концепции. Видообразование в роде Нота трудно связать с эволюцией материальной культуры. В итоге были предложены модели эволюции антропогенеза под влиянием специфического комплекса биологических факторов. При этом предполагается, что не отдельный признак, а их совокупность (прямохождение, гиперсексуальность самки, система «поощрительного спаривания» в обмен на кормление и подключение самцов к защите потомства и т.д.) позволили адаптироваться предкам гоминин к наземной жизни в саваннах и обеспечить репродуктивный успех, повысив рождаемость без снижения выживаемости. Коллективная охота на крупного зверя, пользование огнем, усовершенствование строительства убежищ и заселение пещер позволило уже Н. еrectus существовать в разнообразных, недоступных для других гоминид условиях. Наличие большого числа полуизолированных популяций, каждая из которых эволюционировала самостоятельно, но сохраняла возможность передачи новоприобретений всему виду при миграции молодых самцов или самок, обеспечивала быстрое проявление и аккумуляцию полезных морфофизиологических, этологических и культурных изобретений.

 

В последние десятилетия сформировался коэволюционный подход к антропогенезу, с наибольшей полнотой выраженный в конце 1980-х гг. в работах Р. Фоули. Эволюция гоминид рассматривается в тесной связи с преобразованием плейстоценовых и голоценовых экосистем, в рамках которых сложилась современная фауна. Возникновение гоминин и их исход из Африки рассматривается как часть общего биогеографического процесса, в котором участвовали многие группы млекопитающих и птиц, эволюционировавшие под влиянием одних и тех же факторов.

Антропология и связанные с ней науки продолжают порождать все новые и новые этические проблемы. Реализация на границе тысячелетия международного проекта «Геном» позволила расшифровать в целом последовательность примерно 3 млрд. нуклеотидов в 46 хромосомах человеках. Однако генетически значимая информация оказалась закодирована лишь в нескольких процентах его ДНК. До сих пор мало известно о назначении избыточной ДНК в молчащих участках, названных нитронами.

Генетика показала также, что среди 30 тыс. генов человека нет генов, ответственных за социально значимое поведение. Неизвестны гены лживости, воровства, убийства и т.д. Исследования близнецов также свидетельствуют, что индивидуальные различия по социально значимым свойствам и ролям являются, прежде всего, результатом воспитания, образования и других социальных условий и не предопределяются однозначно генотипом. Диктатуры генов нет. Человек обладает свободой воли и способен отвечать за свои поступки.

 

Литература

Георгиевский А. Б. Антропология. - СПб.: Военмех, 2002.

Гудолл Дж., Ван. Шимпанзе в природе. Поведение. - М.: Мир, 1992.

Елинек Я. Большой иллюстрированный атлас первобытного человека - Прага: Апатия, 1982.

Дарвин Ч. Происхождение человека и половой отбор. - М.: Изд-во АН СССР, 1953.

Джохансон Д., Иди М. Люси: Истоки рода человеческого. - М.: Мир, 1984.

Дольник В. Р. Непослушное дитя биосферы. - СПб.: Педагогика-Пресс, 1994.

Колчинский Э. И. Биологическая антропология // Философская антропология как интегративная форма знания. - СПб.: Изд-во СПб ГУ, 2001.

Левонтин Р. Человеческая индивидуальность: наследственность и среда. - М.: Прогресс, 1993.

Ламберт Д. Доисторический человек - Л.: Недра, 1991.

Новожилов Ю. И. Таинственное либидо. Социобиологический анализ человеческой сексуальности. - Екатеринбург, 1999.

Фогель Ф., Мотулъский А. Генетика человека. Т. 3. - М.: Мир, 1989.

Фоули Р. Еще один неповторимый вид. Экологические аспекты эволюции человека. - М.: Мир, 1990.

Эфроимсон В. П, Генетика этики и эстетики. - СПб.: Талисман, 1995.