Текст книги "Карлики рождают гигантов"

Автор книги: Владимир Крупин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 13 страниц)

Молодой ученый, член-корреспондент АН СССР А. С. Спирин, вместе со своими сотрудниками наполнил понятие гена новым биохимическим содержанием. Выяснилось, что и-РНК «по команде» гена расставляет аминокислоты, которые «выстраиваются» во время синтеза в молекулу белка. Шаг вперед? Безусловно. Но более подробных сведений о роли и-РНК пока нет. Возникает новый круг проблем, без выяснения которых невозможно познать закономерности белкового синтеза. Не познаешь закономерности – не сумеешь управлять ими или хотя бы использовать их в своих интересах. Эта истина очевидна.

Очевидно и другое. Наукой накоплено колоссальное количество фактов. Разрозненные, на первый взгляд не связанные друг с другом явления понемногу начинают складываться на наших глазах в определенную систему.

Мы представили клетку комбинатом по синтезу белка. Нарисовать эту картину мы смогли только благодаря усилиям многотысячной армии ученых, представителей разных стран и разных профессий. Словно на листе фотобумаги в проявляющем растворе перед нашим взором проступают основные контуры этой картины. Многие детали еще не проработаны. На бумаге отчетливо видны штрихи, линии и точки.

Как они связаны между собой? Что именно изображают? О чем-то мы догадываемся. Чего-то предугадать не можем. Но процесс проявления продолжается, и картина становится все более полной. Начинают проявляться общие свойства клетки как единой взаимосогласованной кооперативной системы. До сих пор основным методом исследования клетки был анализ. Процессы, происходящие в живом организме, основательно изучены. Отдельные факты систематизированы и разложены по полочкам. На полотне, нарисованном великим художником – Жизнью, мы видим великолепные уверенные мазки. Мы различаем цвета и структуру, знаем происхождение красок и даже кисти, которой пользовался мастер. Но мы смотрим пока на полотно сквозь увеличительное стекло. Настало время отойти от картины на несколько шагов, чтобы увидеть ее всю сразу. Ученые все более ощущают необходимость «целостного» подхода к проблеме.

…Отступление восьмое. О коллективности в науке.

XX век – век неслыханной специализации науки. Она неизбежна. Человечество вовлекает в сферу своей деятельности, в свой быт все новые и новые явления и факты действительности. Они, естественно, становятся объектами исследований. Их многообразие и новизна порождают многообразие новых отраслей знания. Открытие вирусов повлекло за собой рождение вирусологии. Овладение атомной энергией вызвало к жизни, как мы видели, целый комплекс новых наук. Последовал рывок в космос – и мы заговорили о космической медицине, об астрогеографии…

В этой книге уже был упомянут целый ряд новых и новейших научных дисциплин. Биофизика, биогеохимия, физическая биохимия, биологическая радиоэлектроника, радиационная микробиология, биокибернетика, бионика, молекулярная генетика, биогеоценология… Все эти ветви одного могучего древа науки о жизни. Специализация, – применяя более современную математическую терминологию, лучше сказать «дифференциация», – отвечает духу современного естествознания. Стремление проникнуть в самую суть глубинных процессов жизни, познать их и поставить на службу обществу – такова характерная особенность экспериментальной биологии.

Дифференциация – одна из важнейших тенденций развития науки. Одновременно действует противоположная тенденция – интеграция (снова математический термин!) научных представлений. Она отражает стремление к целостному восприятию явлений («интегер» в переводе с латыни как раз и означает «целый»). А стало быть, и к целостному их пониманию и объяснению.

Естествоиспытатель нашего времени – будь то биофизик, исследующий тончайшие проявления жизни на молекулярном уровне, или земледелец, выращивающий картошку, – имеет дело со сложным биологическим объектом.

Живая клетка, находящаяся в поле зрения биофизика, представляет собой механизм, где действуют тысячи деталей, связанных между собой тысячами взаимосвязей в единое целое. В этом лабиринте биофизик заблудился бы, если бы не помощь химика и цитолога, математика и генетика. Только коллективный опыт науки, разбирающей этот механизм винтик за винтиком и шаг за шагом, позволяет каждому исследователю в отдельности и всей биологии вместе уверенно подвигаться вперед.

Урожай, представляющий предмет заботы земледельца, – это тоже сложный биологический комплекс. В формировании урожая принимают участие тысячи растений, связанных между собой не менее сложными связями. На развитие этого комплекса действуют самые разнообразные факторы. Земные (вода, питательные элементы) и космические (энергия солнца и космические лучи), биологические (микробы, сорняки, болезни, вредители) и агротехнические (севооборот, обработка почвы и ее качество). Действуют все вместе и каждый в отдельности. На любые, порой – малозаметные изменения условий во внешней среде растение реагирует немедля. Что, как и почему изменилось? Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны заглянуть в клетки растений. Ибо все изменения – биохимические или физиологические – происходят именно там. В поисках ответа на свои вопросы земледелец неизбежно пользуется коллективным опытом науки – агрохимии, микробиологии, фитопатологии, генетики и т. д.

«Земледелие, – говорит академик ВАСХНИЛ В. Д. Панников, – опирается на закон совокупного действия всех факторов, влияющих на урожай. Игнорировать хотя бы один из них – значит обречь себя на неудачу. Допустим, мы ставим задачу получить 30 центнеров ржи с гектара. Известно, что в почве достаточно калия, чтобы обеспечить такой урожай. Недостаток фосфора мы возместим внесением суперфосфата. С азотом сложнее – даже после внесения селитры и навоза ресурсы его должны обеспечить всего 10-центнеровый урожай. И тут уж, как ни бейся, избытком калия и дополнительным внесением суперфосфата мы ничего не добьемся. Урожай составит 10 центнеров с гектара.

Пример с микроэлементами еще более характерен. Никакими двойными и тройными дозами минеральных удобрений нельзя повысить урожай свеклы на болотистых землях, если в почве не хватает бора.

Забвение закона совокупного действия факторов дорого обходится земледельцам. Порождая ошибки в теории, оно приводит к появлению необоснованных рекомендаций на практике.

Другая крайность – сведение всех задач земледелия к одному какому-либо фактору. Было время, когда панацеей объявили травопольную систему. Травополье при всех его положительных качествах – это только часть факторов, влияющих на урожай. Оно улучшает структуру почвы. Если сеется клевер или люцерна, в почве накапливается азот. А калий, фосфор? Травополье не может заменить удобрений. А без химизации интенсивное земледелие невозможно. Урожайность будет топтаться на месте.

Травопольщиков осудили, призвав в арбитры Д. Н. Прянишникова. „Минеральные удобрения – вот путь повышения урожайности. Дадим больше туков земле – решим все проблемы! Будут удобрения – будет хлеб! Так учил Прянишников“».

Нет, не так учил Прянишников. Далеко не так! Его работы об азотном балансе в земледелии, о бобовых, о навозе и минеральных удобрениях – это образец комплексного подхода к агрономическим проблемам. Прянишников ратовал за расширение туковой промышленности и в то же время был ревностным сторонником увеличения площадей клевера, люцерны, люпина. Вот что он писал: «Новые источники азота (селитра и синтетический аммиак) нигде не заменяли собой азота клевера или навоза, везде они дополняли раньше известные приемы, увеличивая общую сумму вводимого азота… Расширение посевов клевера (и люцерны) потребует при этом гораздо меньше расходов, чем при создании азотных заводов. К тому же эти расходы будут окуплены животноводством».

Комплексный подход к экспериментальной биологий неизбежно опирается на коллективный опыт науки. Ибо только коллективный опыт может дать нам целостное представление о тех или иных явлениях жизни.

Хорошо по этому поводу высказался Д. Бернал: «Перспективы многочисленных достижений, охватывающих огромные области науки, настойчиво выдвигают на первый план постоянно растущую необходимость сотрудничества. Существенный прогресс в биологии необходимо представляет собой – безразлично, признается этот факт или нет, – широкую комбинированную операцию, ибо ценность работы каждого человека зависит от работы десятков других. Она требует хорошо организованной службы информации и известного чувства стратегии, которое не помешает распознанию и использованию неожиданного».

Под знаком интеграла

Современные науки – от химии до экономики – идут вперед под знаком интеграла.

Логика развития привела также к математизации биологии.

Проникновение математики в биологию по-настоящему еще только начинается.

Взглянуть на проблемы жизни своими глазами химику было относительно легко, ибо большинство процессов, происходящих в живой среде, – это химические реакции, язык которых химику близок и понятен. Сама среда эта, представляющая собой водно-коллоидный раствор, объект исследования в химии распространенный.

Физик, взявшийся за биологию, тоже имел дело со знакомыми явлениями и вещами. Молекулы, структуры вещества, водопроницаемость, осмотическое давление, радиоактивность…

Биологи сравнительно быстро овладели химическими и физическими методами исследования жизни, ибо объект исследования им был давно и хорошо знаком.

Все три науки привыкли оперировать конкретными фактами и явлениями, поэтому их взаимопроникновение и взаимообогащение протекало более или менее гладко.

С математикой было сложнее. Долгое время существовало положение, когда биологи понимали, но не умели, а математики умели, но не понимали.

Математики должны были превратить в язык отвлеченных формул конкретные факты и невероятно сложные, не до конца еще понятые явления.

Биологам, желающим привлечь на помощь себе математику, предстояло научиться оперировать абстрактным языком цифр.

И для тех и для других основная трудность заключалась в том, что математический аппарат, который был бы полностью пригоден для точного описания жизненных процессов, не создан и поныне.

И все же на одном из перекрестков науки биология встретилась с кибернетикой – самой сложной и самой развитой отраслью математики.

Задача биокибернетики – изучение общих закономерностей живого. Каждый организм, с точки зрения математика (как, впрочем, и в действительности), представляет собой сложную динамическую систему, где все составные части связаны друг с другом, а сама она с внешним миром. И организм и среда – это системы, где информация хранится, перерабатывается и передается. Следовательно, к ним вполне применим язык и методы кибернетики.

Один из примеров передачи информации в биологии – наследственная информация. Она передается от родителей к потомству.

Биолог скажет: организм развивается.

Биофизик скажет: идет редупликация молекул нуклеиновой кислоты и передача этих молекул во все образующиеся вновь клетки организма.

Кибернетик скажет: передается наследственная информация.

Задачи генетики, говоря языком кибернетики, заключаются в следующем: изучить строение этой информации (а попросту говоря, установить ее размер, форму и место хранения); изучить способы ее материального кодирования (а попросту говоря, вещества и реакции, с помощью которых она передается, и условия этой передачи); наконец, выяснить способы ее проявления в новом организме в процессе его индивидуального развития.

Наследственная информация кодируется определенными структурами нуклеиновой кислоты в строго определенных участках определенной хромосомы. Строение молекул ДНК определяет строение белковых веществ, синтезируемых в клетке.

Количество информации, заключенное в одной молекуле ДНК, невероятно велико – оно превосходит количество информации, записанной в толстой книге. Но способы кодирования наследственной информации, выработанные природой в процессе эволюции, чрезвычайно экономны. Они неизмеримо компактнее способов кодирования, которыми пользуются творцы современных вычислительных машин.

Если кибернетик научится кодировать информацию так же экономно, как это делает природа, электронно-вычислительная техника сделает огромный скачок вперед.

А пока и эта не очень совершенная техника помогает существенно продвинуться вперед биологии.

Точность и достоверность

Точность и достоверность опыта – первейшее и необходимейшее требование науки. Только объективные данные, подкрепленные точным экспериментом, производственным опытом, самой жизнью, могут привести ученого к правильным выводам. Биолог, пренебрегающий этой истиной, не может дать производству верных, обоснованных рекомендаций. Для выработки таких предложений необходима квалифицированная постановка опытов с последующей математической обработкой результатов исследований. Ссылки на всякого рода «особенности» биологических объектов, которые якобы не поддаются математическому анализу, в настоящей науке просто неуместны.

Тысячу раз прав Маркс, говоривший, что наука совершенствуется только тогда, когда ей удается пользоваться математикой. Современные методы математической статистики облегчают биологу его работу. Точная статистическая обработка данных эксперимента может облегчить и ускорить продвижение вперед даже в такой «медленной» сфере биологии, как селекция. Академику А. Сапегину, одному из творцов вариационной статистики, работавшему на Украине в 20–30-е годы, удалось благодаря использованию математических методов сократить сроки выведения новых сортов. Что касается сортов Сапегина, то они были широко известны в свое время (да и теперь тоже) и послужили материалом для выведения новейших форм растений селекционерам следующих поколений. Вот его пшеницы – «одесская 4», «степнячка», «земка», «кооператорка». Эти названия знает каждый агроном.

Приведем пример, показывающий, как чисто математический подход к решению биологической задачи лишний раз подтверждает выводы, полученные учеными на живом объекте.

Человеческий глаз – сложнейший оптический прибор. Он воспринимает зрительную информацию 140 миллионами колбочек, преобразуя ее в единое целое. Глаз как система давно интересует не только биологов, но и физиков. Академик П. П. Лазарев, анализируя чувствительность глаза, заметил, что в возрастном снижении зрения наблюдается некая математическая закономерность. Лазарев вычислил скорость падения зрения в возрасте от 60 до 80 лет. Графическая кривая, вычерченная им и продолженная до нуля, показала, что «запас» человеческого зрения рассчитан на 120–150 лет. Таким образом, математическая формула подтвердила вывод, сделанный ранее биологами, подсчитавшими, что естественная продолжительность человеческой жизни должна составлять примерно полтора века.

Молекула ведет радиопередачу

Изучение структуры живых молекул было бы невозможно, если бы биологи не получили на вооружение такие тонкие и точные методы исследования, как рентгеноструктурный анализ, ультразвук, спектроскопия.

Один из новейших инструментов исследования в биологии – метод магнитного резонанса. Он помогает исследовать строение молекул, жидкостей, кристаллов, структуру полимеров и биологических объектов.

Когда биология вышла на молекулярный уровень, ей потребовался ключ, с помощью которого можно было бы отворить двери в молекулу и проникнуть внутрь. Таким ключом и стал электронный парамагнитный резонанс. ЭПР был открыт советским ученым Е. Завойским в 1944 году. А сегодня можно без преувеличения сказать, что магнитно-резонансные исследования составляют добрую половину всех работ, ведомых физиками и физико-химиками мира.

Любая органическая молекула – очень сложный для познания объект. Она состоит иной раз из тысяч частиц. А ее особенности зависят иной раз от наличия одного лишь атома. Вспомним кобаламин, витамин B₁₂. На всю молекулу, иной раз на всю клетку – один атом кобальта. Но как обнаружить его в этой сложной системе? Чтобы представить себе сложность задачи, заглянем еще раз в живую клетку. Клетка печени вмещает до 200 000 000 000 000 молекул. Подавляющее большинство их – молекулы воды. Белковых молекул только (!) 50 000 000 000. Если допустить, что свойствами ферментов обладает только одна из тысячи молекул, то и тогда наберется 50 миллиардов ферментных частиц. И среди многочисленного населения этого микромира – всего одна молекула кобаламина. Как найти ее в этом хаосе? Не зная точного адреса, это так же трудно сделать, как в России искать человека по фамилии Иванов, зная только, что он блондин. Вот если бы у него была своя миниатюрная радиостанция, по которой он посылал бы в эфир свои позывные!..

Такая радиостанция есть у молекулы и у всех атомных частиц. Протон, нейтрон, электрон обладают разными электрическими и магнитными свойствами. Правда, магнитные моменты частиц хаотически направлены во все стороны. Но ученые научились наводить в этом движении порядок. Если весь этот хаос поместить в магнитное поле, то нестройный «шум», который издают частицы, превратится в четкую систему сигналов. Атомы элементов периодической системы состоят из различного числа частиц. У каждого элемента – свой голос, ибо свойства ядер атомов разных элементов индивидуальны. Мы не спутаем в эфире позывные Москвы с позывными Лондона или Варшавы. Так и в наведенном магнитном поле. Там звучат разные позывные, по которым мы узнаем, с кем имеем дело в эфире. Сигналы, передаваемые радиостанцией молекулы, записываются «на пленку». Зеленый карандаш электронного луча рисует их на экране осциллографа – прибора для записи электронных колебаний.

Экспериментаторы внимательно изучают эти сигналы. Молекула… Атом… Свободный радикал…

Электронный парамагнитный резонанс открывает головокружительные возможности для исследования биофизических и биохимических процессов. Уже первый поиск, произведенный с помощью ключа ЭПР, показал, что во всех тканях содержатся свободные радикалы. Жизнь их в клетке длится иной раз тысячные доли секунды, но в эти микромгновения и решается иной раз судьба того или иного процесса. С помощью ЭПР в ряде ферментных реакций были обнаружены радикалы, помогающие понять ход биохимических реакций в живом.

Мы знаем, например, что ионизирующее излучение нарушает обычное течение жизни. Оно расстраивает обмен веществ, вызывает лучевую болезнь, стимулирует развитие рака, вторгается в механизм наследственности. При радиационном облучении в живых тканях возникает много свободных радикалов. Изучить их природу – значит понять многое в характере нарушения молекулярной структуры биологических объектов. Понять и наметить пути защиты против радиации.

Другой пример. Курение – вредно. Это знают все. Но почему именно? Никотин? Отчасти. Папиросный дым обладает токсичностью благодаря свободным радикалам. Когда «замороженная» струя табачного дыма была исследована методом ЭПР, в ней было обнаружено много свободных радикалов высокой активности. Они-то и приносят вред организму.

Средства и методы электроники позволяют с достаточной точностью установить и другие закономерности живого. Тончайшие детали, ускользавшие прежде из поля зрения исследователя, стали достоянием экспериментатора. Стало возможным наблюдать и измерять чрезвычайно малые измерения энергии в клетке. Электроника позволяет изучать очень быстро и очень медленно текущие процессы.

Новые возможности открывает телевизионный микроскоп. У его электронного собрата при всех достоинствах есть один существенный недостаток. В электронном микроскопе мы видим уже мертвую клетку, мертвый орган. Электронный луч убивает живое. А ведь именно жизнь – главный объект нашего изучения. Остановив ее, мы выхватываем для себя какие-то отдельные ее моменты, уже застывшие на экране микроскопа. А значит, что-то упускаем.

Телевизионный микроскоп позволяет подсмотреть некоторые процессы жизни. Контрастность и яркость изображения в этом приборе можно регулировать электрическим путем. Поэтому отпадает необходимость окрашивать объект исследования. Окрашивание тоже нарушает нормальную жизнедеятельность препаратов, искажая в какой-то мере данные наблюдений.

Телемикроскоп хорош еще и тем, что за его экраном могут наблюдать сразу несколько исследователей. И у каждого свой взгляд, свое понимание процесса. Один обмен мнениями на ходу, не прерывая опыта, может дать больше, чем десять наблюдений порознь.

Автоматика и биология

Электроника создает предпосылки для автоматизации биологического анализа. Преимущества ее очевидны. Разумеется, увеличится скорость проведения анализа. Разумеется, автомат облегчит утомительный труд лаборанта и экспериментатора. Главное: автомат обеспечит высокую, ранее недоступную точность. Вполне вероятно, что повышение точности анализа позволит открыть такие явления и закономерности в организмах, которые имеют место в действительности, но пока ускользают из-под взора наблюдателя из-за погрешностей и неточностей анализа.

Биологу нужны автоматы, которые следили бы за процессами, происходящими в суспензиях живых культур, которые создавали бы в них определенные условия. Чтобы составить объективно верную картину течения микробиологического процесса, нужно проанализировать характерные его показатели на протяжении всего экспериментального или технологического цикла. Нужно параллельно следить сразу за несколькими параметрами – температурой, концентрацией водородных ионов, кислотно-восстановительным потенциалом среды и т. п. Такую работу точнее и аккуратнее выполняют, конечно, автоматы.

На IV съезде Венгерского микробиологического общества был продемонстрирован подобный прибор. Он регулирует ферментационный процесс. Прибор позволяет вести сразу несколько наблюдений: производить оценку РП (редокс-потенциала), соотношения углерода – азота, подсчитывать расход кислорода с точностью до 0,1 процента, количество ростовых факторов и витаминов с точностью до 0,5 процента и определять температуру.

Электронную модель, воспроизводящую ход микробиологических процессов, создали ученые Московского университета. Перед машиной ставят вопрос: какой режим выращивания больше всего соответствует заданным целям? Полученные по ее совету экспериментальные данные вновь закладываются в машину, чтобы в следующий раз она могла ответить более точно и развернуто. Таким образом, в течение одного часа с помощью электронной модели можно испытать такое количество различных вариантов, на экспериментальную проверку которых потребовался бы год работы.

В недалеком будущем моделирование войдет в повседневную жизнь ученых. С его помощью будут проводить анализ физиологических функций микробной клетки, исследовать кинетику ростовых и биохимических процессов, управлять микробиологическим синтезом в промышленном масштабе.

Технический прогресс все теснее переплетается с прогрессом в биологии. Влияние на нее методов точных наук все ощутимее и плодотворнее. Не следует, однако, думать, что биология превращается в отрасль физики и химии. Напротив. Использование данных точных наук для объяснения механических, электрических или химических свойств живых организмов лишний раз подчеркивает их биологические свойства. Явления, происходящие в живом, как бы они хорошо ни описывались физически, происходят не в мертвых механизмах, а в саморегулирующихся и самовоспитывающихся сущностях, созданных в результате длительной эволюции.

Самое сложное – выявить собственно биологические закономерности жизни. Мы видели, как сложно, кропотливо, целеустремленно шаг за шагом, штрих за штрихом воссоздается общая картина.

Работа, которую ведут биологи, напоминает чем-то работу кинематографистов. Создается многосерийный панорамный фильм. Каждая серия – два часа. Это 7200 секунд, по 24 кадра в каждой. Итого – 102 800 кадров в серии. И над каждым кадром надо немало потрудиться. Надо найти место для съемок, нарисовать декорации, подготовить актеров, звук, массовку, прорепетировать с главными исполнителями, сделать пробы и тысячи других дел. Пройдет немало времени, пока эти 102 800 кадров промелькнут на экране со скоростью 24 кадра в секунду, превратившись из разрозненных киноснимков в единую картину.

Экспериментальная биология чем-то походит на съемочный коллектив. Есть, конечно, между ними известная разница. Но так же, кадр за кадром, кропотливо готовится съемка. Эпизод за эпизодом запечатлевается на «кинопленке» науки. Скорость, с какой проходят перед взором научного оператора явления жизни, много выше. Некоторые эпизоды длятся миллионные доли секунды. А их тоже надо запечатлеть. Надо зафиксировать детали, которые невидимы ни на телеэкране, ни в ультрафиолетовых, ни в инфракрасных лучах. Далеко не все еще попало в объектив наблюдателя. Тайнопись живого. Так называется будущий фильм. Еще не отсняты миллионы кадров. (Я не случайно привожу шестизначную цифру – на планете 2 миллиона научных работников, и почти каждый вносит свою лепту в подготовку общей картины.)

Когда кадр за кадром картина эта будет готова, мы сможем «прокрутить» ее и еще раз убедиться, как захватывающе интересна окружающая нас действительность.

Когда это будет? Без сомнения, в наши дни. Биология находится перед прорывом вперед, как считают многие ученые. Прорыв приведет нас к научной и технической революции не меньшего масштаба, чем открытие атомной энергии.

«Достигнутый современной молекулярной биологией и еще продолжающийся детальный анализ всех звеньев процесса биосинтеза белков может рассматриваться как решающая фундаментальная подготовка к тому гигантскому научному скачку, который должен привести к разгадке основных принципов и законов живых систем, – скачку, все будущие теоретические и практические последствия которого сегодня невозможно даже предугадать». Так считает биохимик А. Спирин. Я намеренно цитирую этого молодого ученого, находящегося, образно говоря, в точке роста этой науки и небезуспешно двигающего ее вперед и выше. Новейшая биология представлена в нашей книге самыми молодыми отраслями знания. И именно молодежи суждено сказать в ней самое веское слово.