Место биологии в иерархии наук

«Золушка» становится принцессой, или Место биологии в иерархии наук

Александр Александрович Ярилин,
доктор медицинских наук, заведующий отделом клеточной иммунологии Государственного научного центра РФ – Института иммунологии Федерального медико-биологического агентства РФ
«Экология и жизнь» №12-2008 (опубликовано на сайте «Элементы»)

В последние десятилетия биология, считавшаяся прежде едва ли не аутсайдером среди естественных наук, превратилась в лидера, привлекающего все большее общественное внимание, а также материальные и человеческие ресурсы. Наиболее впечатляет именно быстрота этого превращения. Естественно возникает вопрос о его причинах. В статье изложены некоторые соображения по этому поводу.

Особенности биологии

Биология – наука о жизни и живых объектах – традиционно относится к комплексу естественных наук и обычно рассматривается в ряду с главными из них – физикой и химией. Но даже при самом поверхностном сопоставлении этой триады обращают на себя внимание некоторые особенности биологии, выделяющие ее из ряда естественнонаучных дисциплин.

Главная – неимоверная сложность объекта изучения – живой природы – по сравнению с природой косной, изучаемой другими естественными науками. Более того, понимание природы жизни предполагает в качестве негласного, но очевидного условия предварительное понимание природы неживой материи. Разумеется, это утверждение не следует понимать в том смысле, что сначала должны быть полностью вскрыты законы неживой материи, а затем можно обращаться к изучению жизни. Скорее здесь уместна аналогия с медициной. Действительно, вмешательство в живой организм с целью излечения болезней предполагает понимание законов, лежащих в основе жизнедеятельности, а также знание природы заболевания. Но если бы этот принцип выполнялся буквально, медицина как род деятельности не появилась бы до сих пор. На самом деле, подобно тому, как медицина следует на почтительном расстоянии за развитием биологии, биология развивается с некоторым интервалом вслед за физикой и химией. Эта «вторичность» биологии по отношению к физике и химии проявляется не только в сфере знания и понимания законов живой природы, базирующихся на более общих законах материи (но не следующих из них автоматически). Методическая база биологии, инструментарий этой науки происходят из техники, являющейся детищем физики и химии. Достаточно вспомнить о том, что дали биологии создание микроскопа, разработка методов аналитической химии и т. д.

Еще одна существенная особенность биологии состоит в том, что ее субъекты (биологи), будучи живыми существами, оказываются одновременно и ее объектами. Это придает биологии дополнительную привлекательность по сравнению с другими естественными науками и служит залогом общественного интереса к ней во все времена.

Кроме того, биология – фундамент медицины, которая представляет собой прикладную ветвь биологии и, будучи важным стимулом для финансирования, существенно влияет на структуру биологических исследований, благоприятствуя развитию прежде всего тех направлений, которые в наибольшей степени связаны с медициной.

Итак, можно утверждать, что в связи с неимоверной сложностью объекта изучения биология в своем прогрессе следует за физикой и химией, основываясь на методах и содержании этих наук. В то же время для живого объекта – человека – биология обладает особой привлекательностью не только как источник знаний о нем самом, но и как основа медицины и других прикладных ветвей биологии, день ото дня занимающих все более важную роль в нашей повседневной жизни.
Биологический дуализм

Двойственность традиционной биологии наиболее ярко проявляется в сосуществовании «корпускулярно-генетического» и «физиолого-метаболического» ее направлений.

Принято считать, что развитие любой естественной науки начинается с наблюдений и накопления фактов, за которыми следуют теоретическое осмысление и экспериментальный анализ этих фактов и взаимосвязей между ними. К примеру, физика довольно рано отделила изучение конкретных объектов (Вселенная, Земля и т. д.) от исследования общих законов существования материи, дав начало самостоятельным, хотя и более частным наукам – астрономии, космологии, геологии и т. д. В биологии все обстояло иначе. До сих пор наряду с общей биологией в ее недрах существуют ботаника, зоология, микробиология, комплекс наук о человеке (включая прикладные дисциплины, в том числе – медицину). Более того, общая биология всего около полувека назад утвердила себя как самостоятельная, равноправная область биологии. В связи с этим стоит вспомнить, что еще совсем недавно школьных учебников по биологии вообще не существовало – вместо них были учебники по ее частным разделам – ботанике, зоологии, анатомии и физиологии человека и пресловутые «Основы дарвинизма» в качестве общего биологического учения. Все это можно рассматривать, с одной стороны, как проявление особой сложности и разнообразия объектов изучения биологии, а с другой – как признак незрелости этой науки.

Экскурс в историю

Попытаемся бегло обозреть историю биологии, с тем чтобы выявить в ней самые общие тенденции (что понадобится для дальнейших рассуждений).

По-видимому, первым систематическим обращением к научному изучению живых объектов стала анатомия человека, имевшая очевидную прикладную медицинскую направленность. Успехи, достигнутые в античности, средние века и эпоху Возрождения практически исчерпали эту область исследований. В эпоху Возрождения в трудах первых физиологов (исследовавших кровеносную систему) тело человека «заработало». Чтобы лучше понять, как функционирует человеческий организм, потребовались более глубокие химические знания, и в XIX веке на их основе зародились биохимия и учение о метаболизме. Различимую только в микроскоп клетку стали рассматривать как основу живого организма. Акцент с макроскопического наблюдения за органами был перенесен на микроскопический анализ структуры тканей. В конце XIX века возникли представления о регуляции физиологических функций, гомеостазе и сформировалось учение о центральной нервной системе, ставшее венцом физиологии.

Поскольку, как уже отмечалось, это направление в биологии ориентировалось и опиралось прежде всего на медицину, а возможности физиологических исследований на человеке были крайне ограничены, для изучения процессов, протекающих в человеческом организме, пришлось привлечь экспериментальных животных. В результате получаемые знания приобретали уже не только узко медицинскую, но и общебиологическую (распространяемую на представителей разных видов) интерпретацию. Исходя из аналогичных задач и близких научных установок, сходным образом развивались физиология и биохимия растений. Эту ветвь биологии можно обозначить как физиолого-метаболическую.

Другое направление в биологии с самого начала ориентировалось на изучение общих биологических закономерностей. Исходным здесь был тот же описательный подход. Первые фундаментальные обобщения на этом пути связаны со сравнительной анатомией. На ее основе сформировалось представление о единстве живой природы и родстве между организмами, которое легло в основу биологической систематики, заложенной еще в XVII веке.

Следующий шаг состоял в создании эволюционного учения, чему сильно способствовала практическая деятельность по искусственной селекции животных и растений в сельскохозяйственной практике. Почти одновременно с разработкой Ч. Дарвином учения о естественном отборе как основе эволюционного процесса Г. Менделем была установлена корпускулярная природа наследственности. Благодаря подготовленной цитологической (клеточной) основе за этим последовало бурное развитие генетики (хромосомная теория наследственности, учение о мутациях как источнике биологического разнообразия, поставляющем материал для отбора, и т. д.). Генетику первой половины XX века недаром называли формальной: для понимания сути генетических и эволюционных процессов биохимическая природа единиц наследственности и объектов отбора на том этапе значения не имела. Эту ветвь биологии обозначим как корпускулярно-генетическую.
Две биологии?

Нетрудно заметить, что подходы, лежавшие в основе двух ветвей, заметно различались. Сначала это было обусловлено разницей исходных интересов, задач и концепций, но затем распространилось и на методические подходы, так что в конечном счете сформировало два стиля научного мышления. Различия во взглядах сторонников этих «двух биологии» были столь серьезны, что они по-разному отвечали на кардинальный вопрос – что является основой жизни.

Позицию приверженцев корпускулярно-генетического направления кратко (хотя и не слишком понятно для непосвященных) сформулировал Н.В. Тимофеев-Ресовский: «Основа жизни – конвариантная редупликация». Под конвариантной редупликацией он понимал удвоение биологических объектов (в конечном счете – хромосом, генов, ДНК) с возможными отклонениями от исходного состояния.

Последователи же физиолого-метаболического направления основой жизни считали обмен веществ, прекращение которого необратимо и означает смерть.

Нельзя не согласиться с тем, что оба понимания природы жизни справедливы, но располагаются как бы на разных уровнях. Корпускулярно-генетическое понимание касается прежде всего наследственности – процесса самовоспроизведения и причин разнообразия живых объектов, тогда как физиолого-метаболическое понимание основывается на регистрации фенотипических проявлений наследственных признаков.

Эта двойственность биологии сохранялась до середины XX века, когда произошли события, результатом которых стал синтез рассмотренных направлений. Именно этот синтез послужил основой для беспрецедентного прогресса биологии, который вывел ее на лидирующие позиции в ряду естественных наук.

Синтез «двух биологий» и зарождение молекулярной биологии

Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1962 г. были удостоены Дж. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс за расшифровку структуры ДНК (работа опубликована в 1953 г). Фактически премией были отмечены две разные работы. М. Уилкинс и Р. Франклин подвергли рентгеноструктурному анализу кристаллы ДНК (образцовый пример синтеза наук: методы и принципы физики использованы для изучения химических структур – макромолекул, имеющих ключевое значение для биологии). Дж. Уотсон и Ф. Крик сделали теоретическое обобщение относительно структуры ДНК, которое позволило объяснить основные свойства этой молекулы как носителя наследственности. Еще ранее биохимик Э. Чаргафф (впоследствии ставший ярым противником «новой биологии» с ее стилистикой и идеологией) установил, что содержание в ДНК азотистого основания аденин (А) равно содержанию тимина (Т), а содержание гуанина (Г) – содержанию цитозина (Ц); таким образом, эти основания образуют пары А – Т и Ц – Г (правило Чаргаффа), что послужило ключевым фактом для построения Уотсоном и Криком модели ДНК. Суть этой модели состояла в том, что ДНК представляет собой двойную спираль, причем образующие ее нити взаимно комплементарны (иными словами, дополнительны друг другу) благодаря водородным связям между определенными нуклеотидами – именно теми, которые по правилу Чаргаффа друг другу соответствуют. Модель делала понятной роль ДНК в качестве носителя наследственности, которая кодируется последовательностью нуклеотидов (идея кода была вскоре сформулирована Г. Гамовым).

За этим обобщением (которое довольно быстро стало общепризнанным) последовали интенсивные исследования, развивавшие эти представления и «встраивавшие» их в контекст традиционных биохимических представлений. Важными вехами стали: учение о направленной передаче биологической информации от ДНК к РНК (а от нее – к белку); расшифровка кода при передаче информации от нуклеиновых кислот к белкам; открытие ферментов, катализирующих синтез ДНК, РНК и белков, а также субклеточных структур, в которых происходят эти процессы. Всю цепь событий от репликации ДНК до синтеза белка удалось воспроизвести вне клетки.

Сегодня ясно, что именно открытие двойной спиральной структуры ДНК вызвало стремительно нараставшую лавину важнейших результатов, имевших общенаучное значение, которые с неизбежностью вели не к чему иному, как к синтезу прежде разобщенных и выглядевших несовместимыми ветвей биологии. Гены обрели «биохимическую плоть», их работа могла быть теперь представлена в виде биохимических процессов. Стала в принципе понятной биохимическая основа генетических процессов, а физиологические закономерности получили обоснование на молекулярном уровне. Молекулярное переосмысление, вначале затронувшее учение о наследственности, быстро распространилось на анализ основ физиологии клетки, а затем и организма. Ныне любое исследование, претендующее на эвристическую и концептуальную значимость, должно включать молекулярное, желательно молекулярно-генетическое, подкрепление.

Так родилась новая наука – молекулярная биология, и под ее эгидой произошел синтез корпускулярно-генетического и физиолого-метаболического направлений биологии.

Плоды биологической революции

Помимо революции в области понимания живой природы упомянутые результаты привели к созданию новой методологии, весьма обогатившей возможности экспериментальной биологии. Одним из эффективных методических подходов стало клонирование биологических объектов на уровне генов и клеток (о клонировании организмов для научного анализа говорить пока рано). По сравнению с существовавшими ранее методами разделения молекул и клеток клонирование дало огромные преимущества в связи со снижением трудоемкости, временных и материальных затрат, а также заметным повышением эффективности. Были значительно усовершенствованы методы секвенирования – определения последовательности мономеров в составе макромолекул, оказавшиеся особенно успешными для изучения нуклеиновых кислот. На основе новых знаний в области молекулярной и клеточной биологии были разработаны методы матричного биосинтеза белка, несопоставимого по скорости и эффективности с традиционным химическим синтезом. Наконец, удалось развить методы манипулирования генами – их научились «вырезать» и «встраивать» в клетки, избирательно контролировать их активность и т. д. Все эти подходы, удивительно быстро разработанные в рамках молекулярной биологии, послужили основой генетической инженерии, возникшей в 70-е годы XX столетия, всего через четверть века после расшифровки структуры ДНК – открытия двойной спирали. Приемы генетической и – шире – молекулярной инженерии стали интенсивно использоваться в научных исследованиях, что значительно повысило их доказательную силу. Они внедрились даже в рутинную лабораторную практику (например, полимеразная цепная реакция с 80-х годов широко используется в медицинской диагностике для определения тканевой совместимости и т. д.). Эти методические подходы по сути революционизировали биотехнологию.
[Полимеразная цепная реакция (ПЦР) – метод молекулярной биологии, позволяющий значительно повышать низкие концентрации отдельных фрагментов ДНК в биологическом материале (пробе). Помимо простого размножения копий ДНК (амплификации), ПЦР делает возможным множество других манипуляций с генетическим материалом (введение мутаций, сращивание фрагментов ДНК и т. п.) и широко используется в биологии и медицине (например, для диагностики наследственных или инфекционных заболеваний, установления родства, выделения и клонирования генов и т. д.).]

Точная наука

В отличие от физики и химии, которые исходно были точными науками, биология лишь в немногих ее разделах (например генетике) претендовала на точность. Это было связано с тем, что обычно (особенно в рамках физиолого-метаболического направления) исследователи довольствовались смесями молекул и клеток, которые они анализировали с помощью методов, допускающих разные толкования результатов. Применение молекулярных методов анализа сделало биологию точной наукой, поскольку позволило ей пользоваться при исследовании чистыми биологическими субстанциями (молекулами, клетками) и применять методы, дающие однозначные результаты. В связи с этим значительно возросла доказательная сила биологических исследований, проводимых с использованием новой методологии. Следствием этих перемен, в свою очередь, стало резкое ускорение прогресса биологии: объем знаний, полученных за последние десятилетия, сопоставим с объемом, накопленным в области биологии за несколько веков ее существования.

Мировоззренческие цели – глобальные проекты

Нельзя не упомянуть и о таких особенностях развития современной биологии, как ориентация на получение универсальных и фундаментальных результатов в рамках глобальных проектов. Примером может служить проект «Геном человека», направленный на полную расшифровку человеческого генома. На первый взгляд такие знания выглядят избыточными, похожими на формальную каталогизацию. Однако при ближайшем рассмотрении нетрудно убедиться, что это не так. Например, изучая функционирование клеток, исследователи в настоящее время, как правило, определяют экспрессию всех генов, вовлеченных в их работу. Без их спецификации расшифровка получаемых результатов была бы невозможна и, следовательно, нельзя было бы судить о функциях клетки. К настоящему времени полностью расшифрован геном не только человека, но и мыши, дрозофилы, червя Cenorabditis elegans, являющихся излюбленными моделями генетических и молекулярно-биологических исследований. Сейчас в рамках протеомики осуществляется аналогичная каталогизация белков человека и животных, что имеет отношение уже к реализации физиологических функций организма и может стать наиболее полным выражением синтеза корпускулярно-генетического и физиолого-метаболического направлений биологии.
[Протеомика – наука о белках и их взаимодействии (в частности, в человеческом организме). Среди изучаемых ею процессов – синтез белков, их модификация, разложение и замена внутри тела. Прежде изучение белков было содержанием одного из разделов биохимии.]

Изменение представлений о биологии и ее роли

Широкое проникновение молекулярной биологии во все биологические дисциплины породило представление о том, что традиционные биологические науки (цитология, биохимия, физиология) и даже отдельные их разделы (в медицине это, например, онкология, гематология, иммунология) теряют индивидуальность и превращаются в разделы единой молекулярной биологии. Этот взгляд отражает максимализм адептов молекулярного подхода в биологии. Впрочем, аналогичные эпизоды отмечались не только в истории биологии и обычно заканчивались восстановлением суверенности научных дисциплин, у которых есть свои специфические задачи, объекты и методы исследований. Например, при любой степени проникновения молекулярных подходов в клеточную биологию клетка всегда останется самостоятельным биологическим объектом, не сводимым к сумме образующих ее молекул и порождающим особые задачи и методические подходы. В еще большей степени границы использования молекулярных подходов ощутимы при переходе от молекулярно-генетического и онтогенетического уровней организации жизни к популяционному и биосферному. Тем не менее очевидно, что идейное и методическое единство биологии благодаря внедрению принципов и методов молекулярных подходов заметно укрепилось.

Как уже отмечалось, переход биологии на молекулярный уровень породил новую биотехнологию. Ее суть состоит в промышленном использовании методов современной биологии (в частности, генной инженерии) для производства многих практически значимых биологических продуктов: новых лекарств и диагностических препаратов, пищевых продуктов, реагентов для научных исследований и т. д. Наиболее типичный продукт такого производства – рекомбинантные (искусственно созданные и обладающие новыми свойствами) белки, синтез которых контролируют внедренные в клетки новые гены. Биотехнологическое производство по прибыльности давно превысило традиционную индустрию – с ним могут соперничать только компьютерные технологии. В связи с этим значительно усилилось влияние биологии на наш быт, что, в свою очередь, способствовало росту общественного внимания к ней.

Новые возможности – новые проблемы

Возрастание технических возможностей и резкое расширение влияния биологии на жизнь людей уже сейчас породило и новые проблемы. Всем известны споры о приемлемости генномодифицированных пищевых продуктов. Высокая рентабельность биотехнологических производств создает тенденцию к невольному и неявному навязыванию их продуктов (включая лекарства и пищу) с последствиями, которые пока трудно предсказать. Сам чрезвычайно быстрый и кажущийся неуправляемым прогресс науки с некоторых пор внушает опасение, что биология внедрится в запретные области человеческого бытия и затронет такие его аспекты, как, например, человеческая индивидуальность, законы и пределы существования человека и т. д. Сочетание удивительного прогресса биотехнологии с успехами психобиологии рождает новые опасения. Устанавливаемые время от времени моратории на исследования в отдельных областях биологии всегда бывают временными и не могут остановить развитие биологии во всех ее формах и проявлениях, доступных для возможностей человека. Однако уже само появление проблем и страхов такого рода служит верным свидетельством успехов биологии (раньше боялись радиации и химических загрязнений, теперь – продуктов биотехнологии).

Практические применения

Общие рассуждения на эту тему ярко иллюстрируют конкретные примеры.

В 1970-е годы было открыто явление, получившее название «апоптоз», смысл которого можно образно передать как самоубийство клеток в интересах многоклеточного организма.
[Апоптоз – программируемая смерть клеток, сопровождаемая набором характерных признаков, разных у одноклеточных и многоклеточных организмов: например, сжатием клетки, конденсацией и фрагментацией заполняющего хромосомы хроматина, уплотнением клеточных мембран (поэтому при апоптозе содержимое клетки не попадает в окружающую среду).]

По фундаментальности и значимости этот феномен сопоставим с делением и дифференцировкой клеток. Его открытие было осуществлено традиционными методами, которые первые лет двадцать применялись и для его изучения, оказавшегося весьма неэффективным. Но позже (когда биологи осознали значимость открытия) для анализа применили молекулярно-генетические подходы, выбрав в качестве объекта упомянутого червя С. elegans – из-за высокой стабильности числа клеток у этого организма и удобства работы с ним. После этого быстро установили перечень генов, имеющих отношение к апоптозу, выявили их гомологи (гены с той же структурой) у млекопитающих, установили их роль в этом процессе, так что механизмы апоптоза были в общих чертах расшифрованы.

За несколько лет работы с использованием принципов и методов молекулярной биологии была по сути решена проблема, десятилетиями не поддававшаяся исследованиям традиционными методами.

Хотя проблемы медицинской диагностики (и особенно предупреждения и лечения рака) волнуют всех, они до сих пор кардинально не решены, так что онкология представляется, пожалуй, самым подходящим плацдармом для разработки новых подходов, имеющих практическое значение. Один из них касается поиска и получения опухолевых антигенов, т. е. веществ, свойственных опухолевым клеткам, но чужеродных для здорового организма (по крайней мере, взрослого) и вызывающих образование соответствующих антител. Опухолевые антигены могли бы стать основой противоопухолевых вакцин.

Первый опухолевый антиген открыл Г. И. Абелев в начале 1960-х годов. Затем ими занимались многие исследователи, но их идентификация и выделение оставались трудными проблемами. Молекулярная же биология позволила выработать относительно простой и эффективный подход к созданию онковакцин. И пусть пока не удалось создать достаточно эффективные вакцины, это скорее проблема неполноты знаний о механизмах противоопухолевого иммунитета, чем следствие несовершенства технологий.

Одним из наиболее ярких примеров использования методов современной клеточной и молекулярной биологии как основы биотехнологического производства может служить индустрия моноклональных антител, без которых сегодня немыслимы ни современная наука, ни медицина.
[Моноклональные антитела вырабатывают иммунные клетки, принадлежащие к одному клеточному клону (т. е. полученные от одной клетки-предшественницы). Они могут вырабатываться практически на любое вещество, с которым антитело будет специфически связываться, что позволяет их широко использовать в биохимии, молекулярной биологии и медицине для обнаружения определенного вещества или его очистки.]

Такие антитела – весьма чувствительный инструмент для анализа биологических макромолекул. Их используют в иммунохимическом анализе для идентификации и выделения веществ, измерения их концентрации, а в медицине – для диагностики. Традиционно их получали, иммунизируя животных, т. е. вводя им вещество, против которого хотели получить антитела. Однако при этом образовывалась смесь антител, вырабатываемых разными клонами клеток, ответственных за иммунный ответ. Поэтому получить стандартные препараты для выработки антител с требуемой специфичностью (избирательностью) прежде не удавалось.

Сделать это удалось с помощью гибридом – новой технологии, основанной на слиянии клеток иммунизированных животных (обычно это мыши) с опухолевыми клетками. Гибридные клетки оказываются фактически бессмертными и обладают высокой способностью к размножению.

Используя методы клеточного клонирования, а также ряд других приемов, облегчающих отбор гибридов, ученые выделяют клон именно тех клеток, которые вырабатывают требуемые антитела. Полученные клетки (это и есть гибридомы) соединяют в себе способность вырабатывать специфические антитела с бессмертием. Такие клетки можно размножить в любом количестве и поддерживать сколь угодно долго. Образуемые ими антитела однородны, да и по другим качествам удовлетворяют требованиям, предъявляемым к самым чистым химическим реактивам.

Гибридомы вызвали революцию не только в иммунологии, но и в медицине и биологии в целом. С помощью моноклональных антител уже успешно идентифицируют молекулы и клетки, диагностируют заболевания, их используют для лечения злокачественных опухолей и других патологий. Однако мышиные антитела чужеродны для организма человека, который, в свою очередь, вырабатывает антитела к этим антителам, нейтрализуя их. Но и эту проблему удалось решить благодаря генной инженерии: все части молекулы антитела, кроме небольшого участка, который определяет ее специфичность, заменяют человеческими аналогами. В результате антитела, сохраняя специфичность, перестают быть чужеродными для людей.

Количество вариантов производимых моноклональных антител давно исчисляется сотнями тысяч, а их производство остается одним из рекордных по доходности.

***

Думается, теперь можно вернуться к поискам ответа на вопрос, поставленный в начале статьи: почему биология, веками пребывавшая в арьергарде естественных наук, заняла равноправные позиции рядом с физикой и химией, а по темпам развития и масштабам финансирования даже опережает их. Предлагаемый ответ состоит в том, что в середине XX столетия произошло объединение двух разных подходов к изучению жизни – корпускулярно-генетического и физиолого-метаболического направлений биологии. Этот синтез, в результате которого родилась новая наука – молекулярная биология, обеспечил резкое повышение возможностей биологии во всех аспектах, привел к быстрому накоплению точных знаний и создал базу для развития новых технологий, влияние которых распространяется далеко за пределы науки и все глубже проникает в наш быт, вызывая пристальный общественный интерес.

Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
24.02.2009