Geum.ru

Лекции по Истории и методологии биологии Основная литература: История биология (с древнейших времен до наших дней)

Вид материалаЛекции

Содержание


Лекция 10. У истоков молекулярной биологии
Вторая половина III тыс. до н.э.
Около 1700 г. до н.э.
Первая половина V в. до н.э.
Вторая половина V в. до н.э.
1717 г. В Европе проведены первые прививки против оспы (еще раньше их делали в Китае и Турции). 1727 г.
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7

Лекция 10. У истоков молекулярной биологии


Родиной молекулярной биологии является Россия. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно обратиться к истории этого направления науки. На IX Всероссийском съезде естествоиспытателей и врачей 10 января 1894 г. профессор химии Московского университета А.А. Колли выступил с докладом, в котором впервые задал вопрос: как клетки хранят столько наследственных признаков? Ответа, разумеется, он не дал, но сформулировал первую задачу молекулярной биологии. На съезд был приглашен и тогда уже всемирно известный писатель Л.Н. Толстой, который к науке питал глубокое недоверие. В своей статье «Наука и культура» он утверждал: «...просвещение и культура жизненно важны для русского человека, а наука – пустое времяпровождение, пустая трата времени и народных денег, в науке ученые удовлетворяют свою любознательность за казенный кошт». Объектом своих нападок он выбрал почему-то клетки. Он любил говаривать: «Ученые открыли клетки, а в них какие-то «штучки», а для чего, и сами не знают. Ничего путного эти ученые не сделали, разве открыли картофель, да и то не они, путешественники привезли». На свою беду Л.Н. Толстой попал в зал Политехнического музея в тот момент, когда профессор МГУ М.А. Мензбир рассказывал об устройстве клетки и о том, что представляют собой хромосомы (которые Л.Н. Толстой и обозвал «штучками»). Окончательно разозлил Толстого поднявшийся на трибуну профессор Колли, который заговорил о молекулах и «какой-то наследственности». (К чести русских ученых надо сказать, что они признали атомно-молекулярное учение раньше большинства западных коллег.) Л.Н. Толстой был разочарован. Перед самым Новым годом у него гостил И.И. Мечников. Приехав в Ясную Поляну, он целый день рассказывал хозяину о достижениях науки и уехал с твердым убеждением, что Лев Николаевич все понял и согласен с ним, а вышло наоборот. Л.Н. Толстой записал в дневнике: «Был тут Илья Ильич… столько всего наговорил. Семь верст до небес, и все лесом… и молекулы, и атомы. Рассказывал, и в крови нашли какие-то лейкоциты. Тьфу, какая гадость». И это писал один из наиболее образованных и культурных людей России того времени! А что говорить о других? Среди слушателей в аудитории Политехнического музея оказался студент 4-го курса МГУ Н.К. Кольцов, которого чрезвычайно взволновали вопросы, заданные Колли, и он решил найти на них ответы. По окончании университета Кольцов был оставлен при факультете для подготовки к профессорскому званию. Его направили на биостанцию в г. Неаполь. Но жизнь ученого складывалась непросто. Он был участником революционных событий 1905 г. В этом же году его уволили из МГУ. Два года Кольцов преподавал биологию на Высших женских курсах. В 1908 г. в Москве открылся Народный университет, созданный по инициативе и на деньги генерала А.Л. Шанявского (1837–1905) и просуществовавший до 1918 г. Кольцову предложили кафедру экспериментальной биологии. Сам университет не имел аналогов в России, а кафедра Кольцова стала кузницей кадров для российской биологической науки. За 10 лет из ее стен вышли десятки высококлассных биологов. Многие ученики Кольцова считают, что в определенном смысле вся наша биология родилась здесь. Кольцов всем студентам и сотрудникам рассказывал о знаменитой задаче Колли, предлагал им высказывать свои мысли и соображения, т.е. сразу вовлекал их в исследовательскую деятельность. В 1916 г. умер профессор А.А. Колли. К этому времени авторитет Кольцова в науке вырос настолько, что немецкие коллеги попросили его помощи в организации биологических исследований в Германии (не надо забывать, что две страны в этот момент ожесточенно воевали друг с другом). Это еще раз доказывает, что Россия никогда не плелась в хвосте научно-технического прогресса, а зачастую и опережала западно-европейские страны. Происходит Октябрьская революция 1917 г. Сразу стало не до науки. Часть научных кадров разогнали, часть уехала сама. В 1919 г. Кольцов берется за восстановление биологической науки в России. Связи с зарубежными научными центрами разрушены, нет информации от коллег биологов. Окольными путями с большими трудностями приходят письма из-за границы. Не раз Кольцова вызывают в ЧК, т.к. биологические новости принимали за шпионские донесения. Большую радость у Кольцова вызывает пакет с работами Т.Моргана (одного из основоположников современной генетики, проведшего знаменитые опыты с мухами-дрозофилами). Н.К. Кольцов в Москве и его коллега Ю.А. Филипченко в Петрограде пытаются донести до полуголодных студентов в холодных аудиториях хромосомную теорию наследственности Моргана. Н.К. Кольцов и С.С. Четвериков в 1922 г. начинают читать в Москве первый в России курс генетики. С визитом в Россию прибывает известный генетик Г.Меллер, который привозит мушек-дрозофил. Наступает горячая пора. Изучая мутации дрозофил и постоянно размышляя над задачей Колли, Кольцов шаг за шагом приближается к ее разгадке. Выходило так, что описание размножения и изменчивости на молекулярном уровне – основная задача молекулярной биологии. Не сразу Кольцов вынес свое открытие на суд научной общественности. Вначале он рассказал о нем своим студентам (1922 г.) и только через пять (!) лет сделал доклад об этом на III Всесоюзном съезде гистологов, анатомов и морфологов. Идея доклада Кольцова такова: наследственность передается молекулами, которых не так много, но эти молекулы – длинные полимерные нити, отдельные участки которых (мономеры) и определяют конкретные наследственные признаки. Не надо думать, что открытие Кольцова было принято с радостью. Сразу появились и противники его идеи. А были и такие, которые говорили: «Какую пользу принесет это открытие пролетарскому государству? Вот, если бы был выведен сорт сверхурожайной пшеницы или создано суперлекарство, тогда – да. А так, подумаешь – теория наследственности, эка невидаль!» Естественно, уточнение деталей открытия продолжалась и дальше. Кольцов ошибался, отводя главную роль аминокислотам, но главное было сделано: наследственные «тексты» копируются, как при печатании книг. И, самое главное, матричный способ воспроизведения дает ничтожное количество ошибок при тиражировании живых организмов. Итак, было сделано гениальное открытие в молекулярной биологии XX в.: наследственная информация передается на молекулярном уровне и воспроизводится матричным способом. Но нет пророка в своем отечестве. Коллеги Кольцова были глухи к его гениальному открытию, но зато как это восприняла молодежь! С юношеским пылом и энтузиазмом идея наследственности обсуждалась в студенческих кругах. Немецкие биологи несколько раз просили Н.К. Кольцова прочитать им курс лекций по новой биологии: «Только, Вы, глубокоуважаемый господин профессор, можете преподать нам ваши идеи», – писали немецкие ученые. Кольцов с большим трудом уговорил прочитать этот курс молодого биолога Тимофеева-Ресовского, который еще не получил диплома об окончании МГУ. Выбор оказался необычайно удачным. Н.В. Тимофеев-Ресовский был увлечен идеей Кольцова, пожалуй, больше, чем сам учитель. С энергией молодости, отлично владея немецким языком, он так обставил свои занятия, что его квартира стала «Меккой» тогдашней биологии. Молодой преподаватель так увлекался чтением лекций, что не замечал своего быстрого хождения по ковровой дорожке и вскоре протоптал на ней «тропинку». На семинарах сидели маститые профессора и зеленая молодежь, но это никого не смущало и не шокировало, так велико было желание получить вести с переднего края биологической науки. Сам Тимофеев-Ресовский в то время искренне полагал, что в России самая передовая наука в мире. В 1929 г. на семинар записался физик Макс Дельбрюк. Услышав на лекциях о матричном копировании, он был очарован красотой и простотой идеи, сразу примкнув к Тимофееву-Ресовскому и физику К.Циммеру. Они решили выяснить, как радиоактивные излучения влияют на мутации живых организмов. Разумеется, взяли мушек-дрозофил. Узконаправленным пучком гамма-лучей они облучали дрозофил, измеряли дозу, частоту мутаций и пытались определить минимальный размер мишени, на которую действует излучение. Это была трудная, небезопасная и кропотливая работа. По сути дела, они определяли размеры генов. Итогом стала знаменитая работа Тимофеева-Ресовского, Циммера и Дельбрюка «Мутации и структура гена», которая мгновенно стала библиографической редкостью. Авторы установили, что размер мишени, где происходила мутация, если в нее попадал хотя бы один гамма-квант, равен примерно 0,3 нм, а это прекрасно совпадало с размерами аминокислот и нуклеотидов. Оттиски журнала в зеленой обложке получили у коллег-биологов название «Зеленая тетрадь Тимофеева-Ресовского». Разумеется, первые экземпляры были отправлены Н.К. Кольцову. После такого успеха чета Тимофеевых-Ресовских пожелала ехать на родину, но Н.К. Кольцов отсоветовал им приезжать в СССР, где творилось невообразимое. В «шарашках» и тюрьмах находились Туполев и Королев, репрессии коснулись Ландау и Глушко, против Н.И. Вавилова была развернута целая кампания. Отвергались целые разделы физики, биологии, математики как буржуазные космополитические и вредные учения. Тимофеев-Ресовский остался в Германии, но это ему припомнили в 1945 г., приклеив ярлык фашистского прислужника. В 1943 г. один из создателей квантовой механики Э.Шредингер написал книгу «Что такое жизнь?» Книга, несмотря на войну, стала сенсационной. В СССР ее перевели уже в 1946 г. – случай тоже уникальный. Ее читали очень внимательно. Так, известный физик, химик и биолог Дж.Б. Холдейн возразил Э.Шредингеру: «Автор пишет «биологи думают», не указывая авторства. На самом деле автором идеи является профессор Кольцов». Здесь можно видеть редчайший случай восстановления приоритета уже умершего ученого. В 1937 г. М.Дельбрюк получил стипендию Фонда Рокфеллера и уехал в Калифорнийский технологический институт (США), где работал Т.Морган. В 1939 г. срок стипендии истек, но из-за начавшейся Второй мировой войны Дельбрюк решил остаться в США. В 1948 г. к нему в аспирантуру попал начинающий орнитолог Джеймс Уотсон, желавший узнать тайны жизни и полагавший, что Дельбрюк ближе всех подобрался к их разгадке. Дельбрюк заявил Уотсону, что этим занимается биохимия, и отослал его в Европу. Но Уотсон не пожелал заниматься премудростями биохимии и дезертировал в лабораторию рентгеноструктурного анализа знаменитых физиков отца и сына Брэггов. В одной из групп лаборатории работала Р.Франклин, которая также изучала структуру ДНК. Она получила рентгенограммы высочайшего качества, но полностью расшифровать структуру молекулы ей пока не удавалось. В лаборатории также работал физик Ф.Крик, который старался связать рентгенограммы со спиральной структурой молекулы, но и у него не было хороших рентгенограмм, поэтому ничего не получалось. Уотсону удалось увидеть рентгенограммы Р.Франклин (без ее ведома). Когда он описал их Крику и рассказал о матричной репродукции, которую усвоил, работая у Дельбрюка, то все встало на свои места. Крик и Уотсон понимали, что они на пороге важнейшего открытия и больше всего боялись, что их опередит Лайнус Полинг, который решал ту же задачу в США. К их счастью у Полинга не было хороших рентгенограмм, и он в спешке опубликовал в начале 1953 г. статью с ошибочной (трехнитчатой) структурой ДНК. В 1953 г. Крик и Уотсон построили двойную спираль ДНК и их статья была опубликована в номере журнале Nature от 10 апреля. В том же номере журнала опубликованы две статьи Р.Франклин с соавторами, содержащие рентгенограммы, без которых невозможно было бы расшифровать структуру ДНК.


Летопись биологических открытий

Вторая половина III тыс. до н.э. Появился египетский учебник хирургии (его в 1862 г. нашел Э.Смит).

2200–2100 гг. до н.э. Составлен шумерский сборник врачебных рецептов (расшифрован в 1955 г.). На их основе можно сделать вывод, что месопотамские врачеватели из Ниппура знали о лечебных свойствах растений, а медицина и фармация в ту пору уже имели многовековые традиции. Примерно с этого времени врачевание, причудливо переплетавшееся с магическими и религиозными представлениями, начинает приобретать специализацию.

Около 1700 г. до н.э. В месопотамском городе Ниппур написан научный трактат по сельскому хозяйству.

Около 1500 г. до н.э. Составлен так называемый папирус Эберса, найденный в древнеегипетском городе Фивы. Помимо врачебных предписаний, а также заклинаний, он содержал данные естественнонаучных наблюдений и знаний: развитие жука-скарабея из яйца, мясной мухи из личинки, лягушки из головастика.
Примерно тогда же на хеттском языке появился трактат Киккулиша из Митанни о коневодстве, который считается одним из древнейших трактатов по прикладной зоологии.

XII в. до н.э. В датируемом этим периодом ассирийском рецептурном справочнике – так называемом справочнике Набу-лехо – описаны не только болезни и лекарственные растения, но и способы приготовления и применения различных лекарств.

VI в. до н.э. Основоположник медицинской системы в Индии Сушрута составил руководство из шести книг «Сушрута-самхита», в которых описал лекарства, рассмотрел немало вопросов из области анатомии и терапии и сделал обзор состояния медицинских и естественно-научных знаний того времени. Некоторые сведения, излагавшиеся в трактате, были, вероятно, получены при вскрытиях. Среди 760 описанных в книгах лекарств, преимущественно растительного происхождения, упомянуто и сладкое вещество, рекомендуемое для лечения больных сахарным диабетом. В Европе диагноз «сахарный диабет» по наличию сахара в моче был установлен только в XVII в.

VI–V вв. до н.э. Алкмеон Кротонский под влиянием идей Пифагора ввел в античную медицину представление о здоровье как гармонии сил влажного и сухого, горячего и холодного, горького и сладкого. В противовес господствовавшим в то время представлениям, согласно которым центральным органом духовной жизни считалось сердце, Алкмеон Кротонский полагал, что таким органом является мозг.

V в. до н.э. Демокрит составил первый античный указатель лекарственных растений. При его составлении он использовал египетские источники.

Первая половина V в. до н.э. Эмпедокл из Акраганта, древнегреческий врач, поэт и философ, высказал мысль, что организмы на Земле возникли в результате соединения отдельных элементов, причем уродливые и несовершенные организмы погибали и освобождали место для более приспособленных и совершенных. Эта мысль Эмпедокла предвосхитила идею эволюции.
Примерно в то же время Гераклит Эфесский, понимая жизнь как непрерывное движение, считал, что она подчиняется одному закону: чередованию противоположностей, которые утверждаются во взаимной борьбе.

Вторая половина V в. до н.э. Активную деятельность развивает школа «отца медицины» Гиппократа с острова Кос. В противовес умозрительным спекуляциям эта школа требовала практической проверки теоретических положений и выводов. Гиппократ объяснял болезни естественными причинами. Он считал, что терапия должна основываться на природных средствах. В известном трактате «О священной болезни» (эпилепсии) Гиппократ опровергает мнение о божественном происхождении этого заболевания. Собрание 58 трудов этой школы за период с 450 до 350 г. до н. э. весьма широко использовалось врачами почти до начала XIX в. Медицинская школа Гиппократа положила начало профессиональным объединениям античных медиков – цехам, разрабатывавшим профессиональные морально-этические нормы поведения, которые принимались как присяга («Клятва Гиппократа»).

 1682 г. Издана «Анатомия растений» Н.Грю, в которой ученый обобщил результаты обширных исследований, ввел понятие «ткань» и описал строение различных типов тканей.
В том же году А. ван Левенгук впервые наблюдал под микроскопом бактерий и инфузорий и открыл красные кровяные тельца (эритроциты).
Тогда же немецкий ботаник Август Бахман (Риеинус) опубликовал классификацию растений, основанную на типе цветков.

1694 г. Немецкий ботаник Рудольф Якоб Камерариус опубликовал результаты изучения пола растений. Он проводил опыты с искусственным оплодотворением.
В том же году французский ботаник Жозеф Питтон де Турнефор представил углубленную систему классификации растений, изучив и описав около 500 семейств.

1699 г. Английский исследователь Джеймс Вудворд экспериментально доказал, что рост растений зависит от количества растворенных в воде минеральных примесей, которые растения всасывают корнями.

XVIII в. Возникает и получает развитие патологическая анатомия, отцом которой считают итальянца из Падуи Джованни Батисту Морганьи. Его знаменитая книга «О местонахождении и причинах болезней, выявленных анатомом» (1761) – шедевр наблюдений и анализа. Основанная более чем на 700 примерах, она объединяет анатомию, патанатомию и клиническую медицину благодаря тщательному сопоставлению клинических симптомов с данными вскрытия. Кроме того, Морганьи ввел в теорию заболеваний концепцию патологического изменения органов и тканей.
Экспериментальные исследования заложили фундамент новой науки – физиологии. К первым работам в области физиологии относится «Наставление по медицине» нидерландского врача, ботаника и химика Германа Бургаве (1708) и «Элементы физиологии...» швейцарского ученого Альбрехта фон Галлера. В биологии разгорается спор между преформистами и эпигенетиками. Преформисты утверждали, что индивид заранее (как бы в миниатюре) существует в яйце или в сперме, что рождение есть не что иное, как развитие, благодаря которому органы индивида и он сам становятся видимыми. Эпигенетики отрицали подобные взгляды. Они считали, что видовые и качественные признаки индивида возникают после оплодотворения.
Возникают споры о возможности самопроизвольного зарождения микроорганизмов. Сторонниками самозарождения были, в частности, датский исследователь Отто Фредерик Мюллер, французский ученый Жорж Луи Бюффон, английский ученый Джон Нидхем и др. Противниками идеи самопроизвольного зарождения микроорганизмов выступали итальянский ученый Ладзаро Спалланцани, французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр и швейцарский естествоиспытатель Шарль Бонне.

1708 г. Г.Бургаве обобщил известные к тому времени научные (преимущественно механические) основы медицины и изложил их в сочинении «Наставление по медицине».
Тогда же Г.Э. Шталь в сочинении «Theoria medica vera» отверг господствующий до того времени механицизм в науках о жизни. Он вновь высказал мысль, что душа является фактором, приводящим в движение тело, т.е. управляющим жизненными процессами. Его взгляды оказали влияние на так называемую «школу медицины» Монпелье (конец XVIII в.), для представителей которой были характерны виталистические взгляды.
В том же году французский врач Жан Астрюк опубликовал статью об окаменелостях, обнаруженных в районе Монпелье. Он считал эти окаменелости останками животных, выброшенных Средиземным морем.

1717 г. В Европе проведены первые прививки против оспы (еще раньше их делали в Китае и Турции).

1727 г. Английский исследователь Стивен Гейлс в книге «Статика растений» указал на физические причины движения растительных соков, подчеркнув влияние солнца на этот процесс.

1735 г. Шведский естествоиспытатель Карл Линней в сочинении «Система природы» изложил принципы своего нового метода классификации растений. Первоначальный набросок дополнялся, и в 1766–1788 гг. представлял собой уже 4 тома. Для классификации растений Линней использовал бинарную номенклатуру, согласно которой вид описывался двумя латинскими словами – существительным, обозначавшим род, и прилагательным, обозначавшим данный вид. Система Линнея называлась «генеративной системой», ибо растения классифицировались по числу пестиков и тычинок цветка, на основании одно-, двудомности и т.д. В «Системе природы» Линней классифицировал и горные породы.

1736 г. Вышло сочинение К.Линнея «Основы ботаники», в котором он, защищая неизменность видов, утверждал, что в природе существует столько же видов, сколько их было первоначально создано творцом (Богом).
Тогда же Ж.Астрюк высказал мысль, что мозг является центром всех нервных волокон и, таким образом, все физические реакции обусловлены мозгом.

Около 1740 г. Английский ученый Джон Турбевилл Нидхем, проводя опыты по уничтожению в жидкости зародышей всех организмов путем ее нагрева, обнаружил в ней, уже после нагрева, микроскопические организмы. Этот факт, по его мнению, подтверждал теорию произвольного самозарождения.

1742 г. К.Линней признал возможность возникновения в некоторых случаях новых растений в результате резкого изменения климата или в результате скрещивания исходных видов.

1746–1747 гг. А.Галлер в своей работе привел правильное объяснение механизма дыхания. А.Галлер высказал основные положения своей теории раздражимости: сокращение мышц обусловлено специфической раздражимостью мышечных волокон.

1749 г. Начал выходить многотомный (36 томов) труд Ж.Л. Бюффона «Естественная история», содержавший подробные описания природных явлений. Свою задачу автор видел в том, чтобы дать общую картину развития природы. Бюффон пришел к выводу о взаимосвязи животных и растений с окружающей средой и указал на взаимосвязь между разными видами. Но его мнению, человек также относится к природе. Бюффон констатировал подобие обезьян и человека. Он также опубликовал книгу «Теория Земли», в которой, в частности, обратил внимание на распространение окаменевших останков организмов.

1752 г. А.Галлер разработал теорию, согласно которой органы живого тела обладают двумя основными свойствами – раздражимостью и чувствительностью.

1757–1766 гг. Вышло восьмитомное сочинение А.Галлера «Элементы физиологии человеческого тела». Этот фундаментальный труд долгое время оставался наиболее авторитетным исследованием по физиологии. Галлер связал физиологические функции организма человека с его анатомическим строением. Он считал физиологию «оживленной анатомией».

1761 г. Немецкий ботаник Йозеф Готлиб Кёльрейтер, работавший в 1756–1761 гг. в Петербургской Академии наук, опубликовал первые результаты своих классических опытов по скрещиванию растений. Ему удалось вырастить гибриды, у потомков которых сочетались материнские и отцовские признаки.

1768 г. Л.Спалланцани изучал регенерацию у дождевых червей, улиток (регенерация головы, включая глаза и рожки) и у ряда других животных. Он также впервые применил в своих опытах по оплодотворению икринок лягушек метод искусственного оплодотворения. Этот метод в 1763 г. использовал в опытах с рыбами М.Якоби. Позже Спалланцани вновь использовал метод искусственного оплодотворения в опытах с собаками, а в 1799 г. английский врач Уильям Хантер применил его для искусственного оплодотворения человека.