Краткая история биологии

Историю биологии можно подразделить, хотя и весьма условно, на три существенно разные по времени периода: так называемую традиционную биологию (основанную на наблюдении живой природы), ведущую свое начало с доисторических времен, эволюционную биологию, возникшую в XIX в., и молекулярную биологию — основное направление биологии XX в.

Традиционная биология

В рамках традиционной биологии был накоплен большой материал, основанный на наблюдениях за растениями и животными, установлено множество разных фактов и проведены их осмысление и систематизация.

Уже в доисторические времена люди не только знали большое число видов животных и растений, но и были знакомы с их анатомией и морфологией. Об этом свидетельствуют сохранившиеся наскальные пещерные рисунки верхнего палеолита.

Первобытный человек, занимаясь охотой и собирательством, естественно, наблюдал повадки животных, а также изучал растения, что в дальнейшем позволило ему одомашнить некоторые из них и вывести культурные растения. Широкое одомашнивание животных и культивирование диких растений относится к XIII–VI тысячелетиям до н. э.

Наиболее древними домашними животными были собаки, свиньи, овцы. Первыми культурными растениями были рис, ячмень, пшеница.

В результате одомашнивания происходит процесс изменения животных и растений. Очевидно, что это создает предпосылки для осуществления искусственного отбора. Такой отбор, проведенный в течение многих поколений, привел к изменению целого ряда признаков и свойств животных и растений.

Таким образом, в результате искусственного отбора (селекции) были созданы новые формы живых организмов.

Развитие скотоводства позволило получить новые зоологические и ветеринарные знания, а развитие растениеводства и земледелия способствовало накоплению ботанических и агрохимических навыков.

По-видимому, самым древним сочинением по биологии, относящимся к XIV в. до н. э., является пособие по коневодству хеттского селекционера Киккули.

Из системы биологических знаний постепенно выделяется как относительно самостоятельное направление медицина. Очевидно, что люди давно имели представление об анатомии человека, а также знали многие лекарственные растения.

Следующий важный этап изучения живой природы происходил в эпоху древнегреческой цивилизации. В этот период впервые были выдвинуты идеи возникновения живого из неживых веществ (из неживой материи) под влиянием естественных факторов.

Так, Анаксимандр считал, что живые существа возникают из воды и земли, нагретой Солнцем.

В Древней Греции уже высказывались догадки об эволюционных процессах в живой природе, а также идеи о естественном отборе как движущей силе эволюции. Такие идеи содержатся в учении Эмпедокла, который впервые выдвинул одну из рациональных схем происхождения жизни.

В античный период также закладываются основы некоторых будущих направлений исследований в области биологии и медицины.

Так, в одном из наиболее ранних дошедших до нас сочинений древнегреческий натурфилософ и врач Алкмеон Кротонский, живший в V в. до н. э., приводит некоторые результаты своих анатомических исследований трупов животных и, следовательно, его можно считать основоположником античной анатомии, физиологии и эмбриологии.

Заслуживающим внимания является наследие прославленногодревнегреческоговрача Гиппократа (ок. 460 — ок. 370 г. до н. э.).

Он врачевал в одном из известных медицинских учреждений того времени — храме бога медицины Акслепия (Эскулапа) на острове Кос в Эгейском море.

Он одним из первых начал утверждать в медицине новые взгляды на причины многих болезней и методы их лечения. В частности, он считал, что лечение должно основываться на тщательном наблюдении и изучении больных, на накоплении медицинского опыта.

Если в области античной медицины наиболее знаменит Гиппократ, то в области общебиологических античных знаний выдающаяся роль, безусловно, принадлежит Аристотелю. Он был самым многогранным и многосторонним из древнейших философов. Но именно книги Аристотеля по биологии оказались наиболее глубокими из его огромного энциклопедического наследия.

Самым главным вкладом Аристотеля в биологию является то, что он провел первую систематизацию и классификацию животного мира.

Всего в классификационную систему им было включено свыше 500 видов животных. Аристотель объединял их в отдельные группы и систематизировал по отдельным признакам. Всех животных он поделил на кровных и бескровных (что примерно соответствует современному делению на позвоночных и беспозвоночных). В целом, в основе его систематики лежит принцип иерархии природы — от простого к сложному.

Концепции крупнейших античных ученых — Гиппократа и Аристотеля были в дальнейшем развиты их ближайшими учениками и последователями. Так, после смерти Аристотеля руководство его школой перешло к его ученику Теофрасту (370 — ок. 287 г. до н. э.), который стал основателем ботаники.

Он описал и систематизировал в духе Аристотеля свыше 500 видов растений в двух трудах — “История растений” и “Причины растений”.

Что касается учения Гиппократа, то оно получило широкое распространение и дальнейшее развитие благодаря усилиям его учеников и последователей, известных древнегреческих врачей Праксогора (IV в. до н. э.), Герофилиуса (IV в. — начало III в. до н. э.) и Эрисистрата (около 250 лет до н. э.).

Они уделяли большое внимание анатомии и физиологии человека. Они также дали описание сетчатки глаза, печени, селезенки, двенадцатиперстной кишки; проводили исследования кровеносной и нервной системы, а также изучение мозга; в практической медицине — уделяли внимание вопросам правильной диеты, лечебной физкультуры, а также изучали действие лекарственных трав.

И, наконец, завершил развитие античной медицины знаменитый греческий врач Клавдий Гален (130–200 гг. н. э.), живший с 162 г. в Риме. Он был врачом в школе гладиаторов. Это дало ему возможность детально изучать анатомию человека. Гален отмечал большое сходство строения человека и обезьяны.

Он доказал, что артерии наполнены кровью, а не воздухом (как это считалось до него), и дал первую схему кровообращения в организмах.

Эта схема господствовала в течение более чем 1,5 тыс. лет вплоть до ее существенного уточнения английским врачом Уильямом Гарвеем (1578–1657 гг.) в 1629 г. в его труде “Экспериментальная анатомия сердца и сосудов у животных”.

После распада Римской империи центр мировой цивилизации переместился на арабский Восток, и многие естественнонаучные знания античных ученых были освоены арабами, в том числе наследие Гиппократа, Аристотеля и Галена.

Продолжалось развитие многих направлений естествознания, прежде всего в области астрономии, математики и химии. Но в области биологии в этот период не было получено сколько-нибудь заметных новых результатов.

Исключением являются труды известного врача и ученого Востока — Ибн Сины (Авиценны) (980–1037 гг.). Он оставил большое наследие по медицине, которое, однако, в основном, опиралось на идеи Гиппократа и Галена.

В конце XI в., в результате крестовых походов на Восток европейцы открыли там более высокую культуру. Итальянец Жерар де Кремона (1114–1187 гг.) снова перевел с арабского языка на латынь Гиппократа, Аристотеля и Галена. А немецкий ученый Альберт Магнус (1206–1280 гг.) стал поклонником и популяризатором вновь открытого Аристотеля. В целом же период Средневековья характеризовался общим застоем.

Эпоха Возрождения дала мощный импульс развитию всех естественно-научных знаний, в том числе и биологии.

Великие географические открытия привели к существенному расширению наших знаний о многообразии представителей фауны и флоры.

Развитие искусства, прежде всего живописи и ваяния, усилило интерес к изучению форм и строения человека. Знаменитый Леонардо да Винчи был не только выдающимся художником, но и профессиональным анатомом. Он занимался расчленением тел животных и человека с целью изучения их строения.

Ему принадлежит целый ряд открытий в биологии. Он считается основоположником гомологии (термин введен в 1843 г. Ричардом Оуэном, 1804–1892 гг.) — науки, устанавливающей сходство в строении органов у различных животных, несмотря на их внешние различия.

Европейская биология в начале эпохи Возрождения, по существу, заново прошла древнегреческий путь развития, открыла многие сведения, известные древним грекам, и затем быстрыми темпами стала накапливать новые знания.

Она охватывает огромную совокупность направлений в изучении живой природы. Это и анатомия, и морфология животных и растений, и физиология, изучающая функционирование различных животных систем и отдельных организмов, и вопросы размножения и эмбрионального развития, и т. д. и т. п.

В XVI– XVII вв. проводилось много исследований по изучению растений и животных, и появился ряд работ обобщающего характера. Среди них необходимо указать прежде всего работы Конрата Геснера (1516–1565 гг.), Адреаса Везалия (1514–1564 гг.), Амбруаза Паре (1517–1590 гг.), Яна Гельмонта (1577–1644 гг.) и У. Гарвея.

К. Геснер, швейцарский естествоиспытатель – энциколопедист, осуществил систематизацию зоологического материала. Андреас Везалий, бельгийский анатом, заложил основы научной анатомии. Амбруаз Паре, французский врач, считается одним из родоначальников современной хирургии.

Ян Гельмонт, голландский естествоиспытатель, по праву считается основоположником физиологии растений. Он первым начал изучать химические процессы в растениях (сейчас это направление биохимии).

Уильям Гарвей, английский врач, физиолог и эмбриолог исследовал проблему кровообращения. Он открыл законы циркуляции крови, сформулированные в его книге “О движении сердца и крови” (1628 г.). Гарвей установил направление кровотока: из вен в сердце и затем из сердца в артерии.

Он предположил, что из артерий кровь попадает каким-то образом снова в вены (сейчас мы знаем, что через невидимую глазом мельчайшую капиллярную систему), и кровь многократно циркулирует через сердце.

Во второй половине XVII в. некоторыми биологами были предприняты новые попытки систематизации мира растений и животных. Одна из таких систем, общепринятых в конце XVII — первой половине XVIII вв., была создана французским ботаником Жозефом Питтоном де Турнефором (1656–1708 гг.).

Крупную работу по систематизации растений и животных проделал английский натуралист Джон Рэй (1627–1705 гг.). В труде “История растений” он описал и систематизировал более 18 тыс. видов растений, а в 1693 г. подготовил энциклопедию жизни животных, где они были сгруппированы по ряду признаков.

Эта система классификации была в дальнейшем взята за основу и затем развита шведским ученым естествоиспытателем Карлом Линнеем (1707–1778 гг.), создавшим свой фундаментальный труд “Система природы” (1735 г.).

Важным рубежом в биологической науке явилось изобретение в 1608 г. микроскопа. Использование микроскопа биологами открыло для них новый огромный мир живого — мир микробиологии.

Уже первые работы, в которых для исследований применялись микроскопы, дали целый ряд сенсационных результатов. Среди первых авторов следует отметить итальянского анатома и врача Фраческо Стелутти (1577–1615 гг.), английского ботаника и врача Грю Неемия (1641–1712 гг.), голландского натуралиста Яна Сваммердама (1637–1680 гг.), итальянского биолога и врача Марчелло Мальпиги (1628–1694 гг.) и особенно — голландского натуралиста Антони ван Левенгука (1632–1723 гг.) и английского естествоиспытателя Р. Гука.

М. Мальпиги, например, в 1660 г. открыл мельчайшие, невидимые невооруженным взглядом, кровеносные сосуды — капилляры, которые соединяют вены с артериями и полностью замыкают кровеносную систему.

Таким образом, эти исследования явились завершающим этапом, блестящим подтверждением гипотетических выводов Гарвея о наличии замкнутой кровеносной системы в живых организмах и ее функционировании.

Исследования Левенгука открыли целый мир неведомых и невидимых микроорганизмов. Ему удалось увидеть самые малые в то время живые организмы, названные позже бактериями. Примерно через 100 лет после Левенгука мир бактерий подробно описал Отто Мюллер (1730–1784 гг.).

И наконец, крупным событием в биологии стало открытие Р. Гуком клеточного строения растений. Свои результаты он опубликовал в 1665 г. в книге “Микрография”, где им впервые был введен в науку термин “клетка”.

В дальнейшей истории биологических исследований микроскоп стал одним из важнейших инструментов, и с помощью него по мере усовершенствования микроскопических методов исследований было сделано много фундаментальных открытий в области строения и функционирования различных микроструктур живых организмов.

Рассматривая основные работы по биологии, относящиеся в XVI–XVIII вв., следует также остановиться на двух крупных исследованиях, которые завершили системы классификации и систематизации растений и животных. Это работы выдающихся биологов XVIII в.: шведского натуралиста К. Линнея и Жоржа Луи Бюффона (1707–1788 гг.).

В своем ставшем классическом труде “Система природы” К. Линней построил наиболее удачную классификацию растений и животных, представляющую собой общебиологическую модель видовой, родовой и классовой соподчиненности всех организмов, которая в основном сохранилась в науке до настоящего времени.

Ж. Бюффон изложил систематику животного мира в фундаментальном труде — 36-томной “Естественной истории”.

Интересно отметить, что Линней в “Системе природы” поставил человека рядом с человекообразной обезьяной, и, по существу, положил начало научному представлению о происхождении человека.

Из других работ второй половины XVIII в. следует указать некоторые взаимосвязанные исследования, носящие принципиальный характер в понимании процессов питания и физиологии растений.

Так, английский ботаник Стивен Хейлс (1677–1761 гг.) установил, что растения активно усваивают углекислый газ, а английский химик Джозеф Пристли (1733–1804 гг.), открывший газ кислород, экспериментально показал, что растения выделяющего и тем самым увеличивают содержание кислорода в воздухе.

Таким образом, в результате рассмотренного цикла работ было доказано, что в живой природе растения и животные совместно поддерживают определенное химическое равновесие между содержанием кислорода и углекислого газа в атмосфере — 21% кислорода и 0,03% углекислого газа.

Подводя предварительные итоги развития биологии до начала XIX в., можно сказать, что в этот период был в основном пройден первый этап в изучении живой природы, этап описательной биологии, завершившийся классификацией всего растительного и животного мира.

В этот период были также выяснены некоторые важные механизмы функционирования живых систем (кровообращение, пищеварение, дыхание) и открыт мир мельчайших живых организмов, мир микробиологии, вплоть до мельчайшей живой структуры — клетки.

В следующем столетии биология развивалась в основном по трем главным направлениям. Во-первых, изучение состава и структуры живого вещества привело к возникновению и развитию органической химии (биохимии).

Во-вторых, на основе развития и внедрения новых физико-химических экспериментальных методов исследования произошло глубокое проникновение в мир клетки животных и растений. И, наконец, в-третьих, появились условия для становления и создания теории эволюционного развития живой природы.

Кратко рассмотрим основные результаты по этим направлениям.

В 1807 г. по предложению известного шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса (1779–1848 гг.) все вещества, из которых состоят живые организмы, стали называться органическими веществами.

Затем, в 1827 г., английский физиолог Уильям Праут (1785–1850 гг.) установил, что сложные органические вещества любых живых организмов (растений и животных) состоят в основном из одних и тех же трех менее сложных групп, получивших в дальнейшем названия гидрокарбонатов (углеводов), липидов (жиров) и протеинов (белков).

В результате этих работ было выяснено, что не существует каких-либо особых элементов, входящих только в состав живых организмов, и что все эти вещества являются составляющим многих обычных неживых веществ, таких как СО₂ — углекислый газ, Н₂О — вода, NН₃ — метан, Н₂SО₄ — серная кислота и т. д.

Полученные результаты стимулировали широкий фронт работ химиков, например, Юстуса фон Либиха (1803–1873 гг.),

Пьера Эжена Бертло (1827–1907 гг.) по синтезированию различных органических веществ из неорганических.

В первой половине XIX в. были синтезированы из обычных неорганических веществ такие органические вещества, как метан, бензол, ацетилен, мочевина, метиловый и этиловый спирт и т. д. В дальнейшем органическая химия перестала быть наукой о живых веществах, образованных только жизненными формами.

Клеточная теория и эволюционная биология

Следующий этап в исследовании живого вещества связан с дальнейшим изучением клеток живых организмов.

В этом направлении очень важное открытие сделал в 1831 г. шотландский ботаник Роберт Броун (1773–1858 гг.). Наблюдая в микроскоп строение листа растения, он обнаружил внутри клетки круглое плотное образование, которое назвал ядром.

Дальнейшее изучение клеток многочисленных видов растений привело в 1838 г. немецкого ботаника Маттиаса Якоба Шлейдена (1804–1881 гг.) к выводу, что ядро является обязательным структурным элементом всех растительных клеток. А все растения состоят из клеток, являющихся мельчайшей самостоятельной универсальной единицей живой материи.

В 1839 г. немецкий зоолог Тедор Шван (1810–1882 гг.), который изучал клетки животных, обнаружил что клетки животных также, как и клетки растений, тоже имеют ядра, и несмотря на огромное разнообразие представителей животного и растительного мира, их строение одинаково.

Т. Шван и М. Я. Шлейден вошли в историю биологии, как создатели клеточной теории. Они стали родоначальниками новой науки о клетке — цитологии.

Клеточная теория явилась одной из двух великих открытий в биологии первой половины XIX в. Она лежит в основе представлений о единстве всего живого, общности его происхождения и развития.

Напомним, что идея эволюции живого мира была высказана еще древними греками. Но от идеи эволюции до создания теории эволюции Ч. Дарвином прошел длительный и сложный путь.

Из наиболее крупных биологов — предшественников Дарвина, помимо Ж. Бюффона, который одним из первых пришел к выводу о возможности образования новых видов, необходимо указать также французских естествоиспытателей Жана Ламарка (1744–1829 гг.) и Жоффруа Сент Илера (1805–1861 гг.).

Ламарк был наиболее последовательным сторонником идеи эволюционизма, которую он четко сформулировал в “Философии зоологии”, вышедшей в 1809г., где подчеркивалось огромное влияние условий внешней среды на формирование новых свойств организмов с последующей передачей их по наследству.

В “Философии зоологии” Ламарк также высказал мысль о возможном происхождении человека от общих с животными биологических основ и его последующего совершенствования под влиянием факторов изменчивости.

Новая теория эволюционного развития мира животных и растений, созданная Ч. Дарвином, вскрыла естественные внутренние причины и механизмы эволюционного процесса. Главным механизмом целенаправленного и целесообразного изменения видов является, по теории Дарвина, естественный отбор.

Принцип естественного отбора оказался настолько действенен, что накопленные в дальнейшем знания в биологии только укрепили его.

Более того, получившая стремительное развитие в XX в. новая наука — генетика — дала более глубокое обоснование теории эволюции Дарвина, в результате чего вершиной эволюционной теории XX в. стала так называемая синтетическая теория эволюции живого мира — сплав Дарвиновской теории эволюции с генетикой.

Вторая половина XIX в. отмечена также дальнейшим углублением в изучение структуры клетки, расширением исследований в области микробиологии и возникновением экспериментальных основ нового направления в биологии — генетики.

Швейцарский биохимик Фридрих Мишер (1844–1895 гг.) выделил из ядер лейкоцитов вещество со свойствами кислоты. Он назвал его нуклеином (от лат. nucleos — “ядро”). Результаты своих опытов он опубликовал в 1871 г. Этот год вошел в историю естествознания как год открытия нуклеиновых кислот (такое название дал этому веществу в 1889 г. немецкий гистолог Рихард Альтман, 1852–1900 гг.).

Следующий этап в изучении нуклеиновых кислот сделал немецкий биохимик Альбрехт Коссель (1853–1927 гг.), открывший в 1886 г. аминокислоты гистодин.

В то время было установлено существование двух видов нуклеиновых кислот (которые в конце 40-х гг. XX в. были идентифицированы как ДНК и РНК).

Следующей вехой в изучении структуры клетки били исследования Вальтера Флемминга (1843–1905 гг.), который обнаружил, что в ядрах клеток появляются хорошо видимые тонкие нити, названные впоследствии хромосомами.

Одновременно в 1980-е гг. немецкий эмбриолог Теодор Бовери (1862–1915 гг.) и бельгийский гистолог и эмбриолог Эдуард Бенеден (1846–1910 гг.) выяснили, что число хромосом постоянно в разных клетках организма, и каждый вид имеет свой хромосомный набор (по современным данным, каждая клетка человека, например, имеет 46 хромосом).

Исключением из этого правила являются половые клетки (мужские и женские). Они получают только половину обычного набора хромосом. И только после оплодотворения клетка имеет такой же набор хромосом, как и все остальные.

Установление факта сохранения четко определенного количества пар хромосом в клетках послужило в дальнейшем главной причиной связывать передачу наследственных признаков отдельных организмов с хромосомами.

Наряду с успехами в цитологии были также получены важные результаты и в другой области микробиологии, а именно в бактериологии.

Говоря о достижениях в области бактериологии, следует особо подчеркнуть выдающуюся роль в развитии многих направлений микробиологии французского ученого Луи Пастера (1822–1895 гг.), который не только установил природу многих возбудителей болезней (микробов), но и явился основоположником новой науки — иммунологии.

Ему также принадлежит идея о ведущей роли ферментов, или, в широком смысле, биокатализаторов, в процессе жизнедеятельности.

Завершая анализ работ, посвященных успехам микробиологии, отметим еще одно выдающееся открытие, сделанное на рубеже двух столетий. Речь идет об открытии в 1892 г. русским ботаником Д. И. Ивановским (1864–1920 гг.) нового класса мельчайших организмов, впоследствии названных вирусами.

Это открытие дало начало новому направлению науки — вирусологии. И последнее достижение биологии второй половины XIX в. — это экспериментальные работы по изучению механизмов изменчивости и наследственности живых организмов, которые заложили основы новой науки — генетики.

В результате им были сформулированы хорошо известные теперь законы наследственности.

Основное открытие Менделя заключалось в том, что отдельные отцовские и материнские признаки не смешиваются, не усредняются, а расщепляются и дискретно передаются следующим поколениям, проявляясь как в чистом виде, так и в точных количественных соотношениях.

Открытие Менделя, однако, опередило свое время. Основная часть биологов еще не прониклась пониманием важности и необходимости изучения проблем изменчивости и наследственности живых организмов, и работа Г. Менделя попросту была забыта на несколько десятилетий. Законы Менделя были открыты сразу несколькими учеными независимо друг от друга уже в начале XX в.

Биология XX в.

Научно-технический прогресс первой четверти XX в. привел к созданию совершенно других возможностей постановки и проведения экспериментальных и теоретических исследований практически во всех направлениях естествознания, в том числе и в биологии. Это стало возможным прежде всего в результате крупных достижений в физике.

Открытие электронов в конце XIX в. привело в дальнейшем (в 1930-х гг.) к созданию электронных микроскопов, которые позволили увеличивать исследуемые объекты в десятки и сотни тысяч раз (по сравнению с увеличением в несколько тысяч раз у световых микроскопов).

Открытие рентгеновского и других излучений позволило разработать методику и создать аппаратуру для высокоточного рентгеноструктурного анализа пространственных (в том числе и высокомолекулярных) структур.

Можно указать и многие другие методы и экспериментальные установки, разработанные на основе достижений физики (метод молекулярных пучков, установки и приборы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), ядерного магнитного резонанса (ЯМР) радиоспектроскопия, ультразвуковые исследования и др.).

Применение физических методов исследования в биологии привело к созданию отдельной науки — биофизики, применение химических методов в биологии — к созданию биохимии. А продвижение исследований на основе физико-химических методов вглубь живой материи вплоть до органических высокомолекулярных соединений привело к созданию молекулярной биологии.

В результате синтеза этих наук в XX в. удалось существенно продвинуться вперед в плане выяснения природы и механизма изменчивости и наследственности на уровне мельчайших дискретных единиц — носителей отдельных признаков наследственности — генов, продвинуться в изучении структуры механизмов функционирования клетки, а также пройти значительный путь в понимании механизма возникновения жизни на молекулярном уровне.

Ниже дадим хронологию развития исследования по этим трем ключевым направлениям в области генетики, цитологии и механизма возникновения жизни.

Генетика

Начало XX в. ознаменовалось новой вспышкой интереса к проблеме наследственности и изменчивости живой природы. Показательно, что практически одновременно и независимо друг от друга к этой проблеме обратились сразу три исследователя: голландский ботаник Хуго де Фриз (1848–1935 гг.), немец Карл Корренс (1864–1933 гг.) и австрийский биолог Эрих Чермак-Зейденегг (1871–1962 гг.).

Они проводили эксперименты на различных растениях, аналогичные опытам Г. Менделя, и в 1900 г. заново открыли законы Менделя.

В 1901 г. Х. де Фриз ввел теримин “мутация” для обозначения любых резких наследственных изменений в живых организмах. В результате этих экспериментов было бесспорно доказано, что отдельные признаки живых организмов определяются отдельными дискретными факторами.

В 1909 г. датский биолог Вильгельм Иогансен (1857–1927 гг.) обозначил элементарную частицу наследственности термином “ген” — от греч. génos — “дающий жизнь”.

Дальнейший существенный шаг в развитии науки об изменчивости и наследственности сделал американский генетик Томас Морган (1866–1945 гг.), который провел впервые широкие эксперименты на животных организмах, на насекомых.

В 1907 г. он предложил плодовую мушку дрозофилу в качестве нового биологического инструмента. Это насекомое быстро размножается и образует большое потомство. В результате за относительно короткое время можно было обнаружить множество мутаций и изучить тенденции проявления тех или иных признаков во многих поколениях.

В дальнейшем эффективность биологических методов исследования была существенно увеличена благодаря работам ученика Т. Моргана, генетика Германа Меллера (1890–1967 гг.).

Он обнаружил, что частота мутаций растет с повышением температуры, а также многократно увеличивается под воздействием рентгеновскихлучей (1926 г.).

Следующий вопрос, который встал в конце 1930-х гг., — это вопрос о природе генов. Вначале казалось почти очевидным, что ген представляет собой какое-то белковое тело, поскольку считалось, что основу жизни составляют белки.

Однако появление в 1930–1940 гг. новых экспериментальных физических и химических методов позволило провести более тонкий вещественный и структурный анализ различных белков и вещества хромосом и выявить другую вещественную и структурную природу генов.

Методом меченых атомов было установлено, что хромосома, а следовательно и гены, представляют собой нуклеопротеины. Молекула нуклеопротеина состоит из белка и нуклеиновой кислоты, открытой в 1869 г. Фридрихом Майшером (1844–1895 гг.).

В конце 1930-х гг. Арне Тизелиус (1902–1971 гг.) установил, что белки состоят только из смеси аминокислот. За эти исследования А. Тизелиус в 1948 г. получил Нобелевскую премию.

А исследователи Арчер Мартин (1910–2002 гг.) и Ричард Синг (1914–1994 гг.) в начале 1940-х гг. показали, что белки состоят из 20 аминокислот, расположенных цепочкой в молекуле. Эти исследования в 1952 г. также были отмечены Нобелевской премией.

Параллельно этим работам велось изучение состава нуклеиновых кислот. Большой объем работ в этом направлении в 1930-х гг. выполнил Фабус Левин (1869–1940 гг.). Он показал, что в молекулах нуклеиновой кислоты существует единый трехчленный блок, названный нуклеотидом, состоящий из молекулы фосфорной кислоты, молекулы сахара и одного из пуринов или пиримидинов.

Молекула нуклеиновой кислоты состоит из цепочки таких нуклеотидов так же, как молекулы белков состоят из цепочки аминокислот. Нуклеиновая цепочка составлена из фосфорной кислоты одного из нуклеотидов, присоединенной к сахарной группе другого нуклеотида.

Таким образом строится “сахарно-фосфатный позвоночник”, от которого отходят индивидуальные группы пуринов и пиримидинов. Далее Левин показал, что в нуклеиновых кислотах находятся молекулы сахаров двух типов: рибозы и дезоксирибозы. В связи с этим различают соответственно два вида нуклеиновых кислот — рибонуклеиновую (РНК) и дезоксирибонуклеиновую (ДНК).

Проведенные исследования состава белков и нуклеиновых кислот сами по себе еще не давали возможности выяснить белковую или нуклеиновую природу генов. Ясность в этом вопросе была внесена в 1944 г. группой ученых под руководством американского бактериолога Овальда Эвери (1877–1955 гг.), которые доказали нуклеиновую природу генов.

Вместе с разложением белков на отдельные аминокислоты, а нуклеиновых кислот — на отдельные нуклеотиды проводилась работа и по встречным направлениям, а именно по синтезу аминокислот и белков из них, а также синтезу нуклеотидов и нуклеиновых кислот из них.

Так, например, широкую известность получили работы английского химика Александера Тодда (1907–1997 гг.), который провел в 1940-х гг. синтез различных нуклеотидов.

Таким образом, постепенно появлялись все более подробные и всесторонне обоснованные данные о составе и структуре нуклеиновых кислот. Системный анализ всех этих данных завершился выдающимся достижением середины XX в.

Будущие Нобелевские лауреаты 1963 г. Фрэнсис Крик (1916–2004 гг.) и Джеймс Уотсон (р. 1928 г.) опубликовали в 1953 г. работу о структуре молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты — основного носителя информации в живой природе, представляющей собой определенную упорядоченную последовательность нуклеотидов в виде двойной спирали.

Согласно модели Крика–Уотсона, наследственную информацию в молекуле ДНК несет последовательность четырех оснований: двух пуриновых и двух пиримидиновых.

Открытие структуры ДНК явилось огромным шагом в развитии молекулярной биологии в целом, в том числе и молекулярной генетики.

Вскоре удалось решить и другой принципиальный вопрос: каким образом осуществляется передача информации от ДНК к отдельным структурам клетки для обеспечения управления их функционированием; в частности, как происходят регулирование и управление важнейшей функцией живой клетки — синтезом необходимых белков (ферментов)? Как известно, в составе белков содержится 20 аминокислот.

Возникает вопрос: как 4-буквенная (4 нуклеотида) запись структуры ДНК переводится в 20-буквенную запись всего набора аминокислот белков?

Впервые механизм такого перевода показал в середине 1950-х гг. известный физик-теоретик Георгий (Джордж) Гамов (1904–1968 гг.), который считал, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание трех (из четырех) нуклеотидов ДНК, а различные их сочетания обеспечивают синтезирование всех 20 аминокислот.

После расшифровки ДНК и открытия структуры генов началась работа по искусственному синтезу и реконструкции различных молекулярных структур.

В 1970–1980 гг. широкое развитие получил генетический синтез новых гибридных форм с целью создания искусственных молекул ДНК для биологических систем с заранее заданными новыми свойствами.

В настоящее время генетика освоила методы целенаправленного получения организмов с желаемыми свойствами или внедрения в хромосому генов — носителей желаемых свойств.

Цитология

Как уже отмечалось, XX столетие в биологии по праву можно назвать веком генетики, имея в виду ее поражающие воображение фундаментальные открытия. Но и в ряде других направлений в этот период наблюдается также огромный прогресс. Прежде всего это имело место в цитологии — науке о клетке, ее строении и функционировании.

Сведения о строении и функционировании клетки существенно расширились с использованием в 1930-х гг. нового инструмента для исследования микрообъектов — электронного микроскопа.

Его применение позволило увидеть новые компоненты клетки — плазматические мембраны, рибосомы, осуществляющие синтез белка, лизосомы, содержащие гидролитические ферменты, ядро, состоящее из белков и нуклеиновых кислот и осуществляющее управление всеми процессами в клетке, и ряд других. А изучение тонкой структуры клеток привело к обнаружению генного аппарата на основе ДНК и РНК.

В 1960–1980-е гг. ценой многих усилий был изучен очень тонкий, многоэтапный, уникальный механизм реализации одной из важнейших функций клетки — синтеза белков, осуществляющийся с ювелирной точностью.

Происхождение жизни на Земле

В первой половине XX в. эта проблема рассматривалась большей частью биологов под углом зрения принятия и экспериментальной проверки гипотезы абиогенного (живого из неживого) происхождения жизни еще в те далекие времена, когда формировалась сама Земля на ранних этапах ее развития.

В 20-30-е гг. XX столетия эту гипотезу развил русский биохимик, академик А. И. Опарин (1894–1980 гг.) в работе “Происхождение жизни” (1924 г.). Уже первые попытки экспериментальной проверки данной гипотезы представлялись многообещающими.

Во многих лабораториях мира были проведены работы по получению различных органических соединений из неорганических веществ под влиянием внешних сильнодействующих факторов: температуры, электрических разрядов, радиации и т. д.

Сейчас уже стали классическими опыты 1953 г. американских ученых биохимика Стэнли Ллойда Миллера (1930–2007 гг.) и физико-химика Гарольда Юри (1893–1981 гг.), подтвердившие возможность самопроизвольной организации аминокислот из набора химических веществ, которые, в соответствии с теорией развития Земли, являлись наиболее распространенными в первичной атмосфере нашей планеты на самой ранней стадии ее существования. К ним относятся водород, водяной пар, метан и аммиак.

Аналогичные результаты были получены также в 1950–1970 гг. в лаборатории А. И. Опарина, которому удалось синтезировать не только органические молекулы, но и высокомолекулярные (полимерные) органические соединения.

В результате экспериментальным способом были реализованы два этапа химической эволюции: абиогенного образования низкомолекулярных органических соединений и целых полимерных систем (коацерватных капель).

Но в лабораторных условиях пока не удалось непосредственно из неживого вещества получить живое.

Во второй половине XX столетия в связи с быстрым развитием молекулярной биологии центр тяжести проблемы происхождения жизни переместился на молекулярный уровень.

Одной из наибольших трудностей было определение последовательности возникновения и дальнейшей эволюции молекулярных полимеров белка и двух важнейших разновидностей нуклеиновых кислот — ДНК и РНК.

Исследования показали, что именно РНК обладает рядом особых свойств, позволяющих считать ее первичным звеном в цепи молекулярной эволюции.

Таким образом, согласно современной концепции формирования биологических систем, эволюция важнейших органических молекулярных полимеров проходила в следующей последовательности: РНК белок ДНК.

Молекулярная эволюция постепенно повышала функциональные и приспособительные возможности биологических систем, которые образовали уникальные пространственные структуры, устойчивые к влиянию среды.

В 70-е гг. прошлого века возникли новые революционные направления современного естествознания, позволяющие вскрыть внутренние механизмы развития и самосовершенствования любых природных систем, в том числе и биологических.

Наибольшее развитие среди этих направлений получили предложенная И. Р. Пригожиным теория неравновесных процессов и созданная немецким биохимиком Манфредом Эйгеном (р.1927 г.) теория молекулярной эволюции.

Была убедительно доказана возможность, и более того, закономерный характер возникновения органических полимеров, способных к постепенному усложнению, а в дальнейшем — и к самовоспроизведению своей молекулярной структуры.

Из теории Пригожина следует, что в ходе повторяющихся молекулярных превращений неизбежно происходит селективный отбор наиболее выигрышных в энергетическом плане образований.

Объяснением процессов самоорганизации в природе занимается также научное направление, возникшее в 1970-е гг. и получившее название “синергетика”, родоначальником которого стал немецкий физик, специалист в области лазерной техники Г. Хакен.

Выводы синергетики, принципиально согласующиеся как с теорией неравновесных процессов Пригожина, так и с теорией молекулярной эволюции Эйгена, показывают, что самоорганизация физических систем является процессом совершенно обоснованным и даже закономерным.

Однако для реализации этого процесса требуется совместное выполнение по крайней мере следующих двух необходимых условий:

1. система должна быть открытой, что предполагает ее свободный обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой;
2. система должна быть неравновесной, находящейся на границе устойчивости хотя бы по одному из своих параметров.

Именно к таким системам и принадлежат биологические объекты.