- •Глава 1. Методология биологии и биофизики
- •1.1. Предмет и основные задачи курса истории науки
- •1.2. Наука, научная методология. Методология и проблемы в биологии и биофизике
- •1.3. О научном методе в общем
- •1.4. О научной методологии чуть более строго
- •1.5. Что такое научное знание и как оно развивается
- •1.6. Методология об этапах развития научного знания
- •1.7. Эвристика индивидуального научного поиска
- •1.8. Определение, методология и проблемы биологии
- •1.9. Основные проблемы современной биологии
- •1.10. Определение, методология и проблемы биофизики
- •Глава 2. От протознания к естественной истории (от первобытного общества к эпохе Возрождения)
- •2.1. У истоков биологического знания
- •2.2. Культурный переворот в античной Греции: от мифа к логосу, от теогонии к возникновению природы
- •2.3. Эллинизм как синтез восточной и древнегреческой науки
- •2.4. Отношение к образованию и к науке в средневековье
- •2.5. Эпоха Возрождения и революция в идеологии и естествознании
- •2.5.1. Изобретение книгопечатания
- •2.5.2. Развитие науки в период становления капитализма
- •2.5.3. Новые организационные и материальные возможности раз-вития науки
- •2.5.3.1. Организация Академий наук
- •2.5.3.2. Открытие обсерваторий
- •2.5.3.3. Открытие ботанических садов
- •2.5.3.4. Организация музеев
- •2.5.3.5. Публикация трудов Академий
- •2.5.3.6. Создание библиотек
- •2.5.3.7. Изобретение приборов
- •2.5.3.8. Путешествия
- •2.5.4. Разработка новых принципов познания
- •2.5.5. Развитие принципов естественнонаучного познания природы в трудах Бэкона, Галилея и Декарта
- •2.5.6. Лейбниц и идея «лестницы существ»
- •2.5.6. И. Ньютон
- •2.5.7. Французский материализм XVIII века
- •2.6. Создание Российской Академии наук
- •2.6.1 Исторические условия создания ран
- •2.6.2. Первые учреждения ран
- •2.6.3. Социо-культурные условия формирования науки в России
- •Глава 3. От естественной истории к современной биологии (биология нового времени до середины XIX в.)
- •3.1. Развитие ботанических исследований
- •3.1.1. Попытки классификации растений в XVI веке
- •3.1. 2. Систематика и морфология растений в XVII веке
- •3.1.3. Развитие микроскопической анатомии растений в XVII веке
- •3.1.4. Система к. Линнея
- •3.1.5. Попытки создания «естественных» систем в XVIII веке
- •3.1.6. Зарождение физиологии растений
- •3.1.7. Развитие учения о поле и физиологии размножения растений
- •3.2. Развитие зоологических исследований
- •3.2.1. Описания и попытки классификации животных в XVI – XVII веках
- •3.2.2.Зоологические исследования в XVIII веке
- •3.2.3. Изучение ископаемых организмов
- •3.3. Развитие исследований по анатомии, физиологии, сравнительной анатомии и эмбриологии животных
- •3.3.1. Анатомия животных и человека в XVI – XVII веках
- •3.3.2. В. Гарвей и становление физиологии
- •3.3.3. Микроскопическая анатомия и изучение простейших
- •3.3.4. Физиология в XVIII веке
- •3.3.5. Становление сравнительной анатомии
- •3.3.6.Эмбриология животных. Преформизм и эпигенез
- •3.4. Господство метафизического мировоззрения в естествознании XVII – XVIII веков
- •3.4.1. Достижения биологии XVII – XVIII веков
- •3.4.2. Господство метафизического мышления
- •3.4.3. Концепция постоянства видов и преформизм
- •3.4.4. Идеалистическая трактовка органической целесообразности
- •3.5. Возникновение и развитие представлений об изменяемости живой природы
- •3.5.1. Допущение ограниченной изменчивости видов
- •3.5.2.Представление о "естественном сродстве" и "общих родоначальниках".
- •3.5.3. Фактор времени в изменении организмов.
- •3.5.4. Последовательность природных тел. "Лестница существ".
- •3.5.5. Идея «прототипа» и единства плана строения организмов
- •3.5.6. Идея трансформации органических форм
- •3.5.7. Идея самозарождения и ее отношение трансформизму
- •3.5.8. Естественное возникновение органической целесообразности
- •3.6. Первая попытка создания концепции эволюции органического мира (Ламарк и его учение)
- •3.6.1. Ламарк. Краткие биографические сведения
- •3.6.2. Философские воззрения Ламарка
- •3.6.3. Сущность жизни по Ламарку
- •3.6.4. Представления Ламарка о происхождении жизни
- •3.6.5. Развитие от простого к сложному и градация форм по Ламарку
- •3.6.6. Отрицание реальности видов
- •3.6.7. Причины развития живой природы по Ламарку
- •3.7. Основные черты учения ч. Дарвина
- •3.7.1. Зарождение эволюционной идеи ч. Дарвина
- •3.7.2. Содержание теории эволюции ч. Дарвина
- •3.8. Создание и развитие эволюционной палеонтологии
- •3.8.1. Роль теории ч. Дарвина в перестройке палеонтологии
- •3.8.2. В. О. Ковалевский и создание эволюционной палеонтологии
- •3.8.3. Попытки ламаркистского истолкования данных палеонтологии
- •3.8.4. Развитие палеонтологического метода в трудах л. Долло
- •3.8.5. Обнаружение новых ископаемых форм
- •3.9. Создание эволюционной эмбриологии животных
- •3.9.1. Сравнительное изучение эмбрионального развития
- •3.9.2. Создание а. О. Ковалевским и и. И. Мечниковым эволюционной эмбриологии
- •3.9.3. Подтверждение гомологии зародышевых листков позвоночных и беспозвоночных
- •3.9.4. Проблемы происхождения многоклеточных организмов
- •3.10. Перестройка сравнительной анатомии на основе Дарвинизма
- •3.10.1. Возникновение филогенетического направления
- •3.10.2. Учение о гомологии
- •3.10.4. Новая трактовка зоологических типов
- •3.10.5. Кризис филогенетического направления в морфологии
- •3.11. Развитие филогенетической систематики животных
- •3.11.1. Представления ч. Дарвина и э. Геккеля о принципах
- •3.11.2. Эмбриологическое направление в систематике
- •3.11.3. Пересмотр основных типов в систематике животных
- •3.12. Развитие физиологии животных и человека
- •3.12.1. Общая характеристика развития физиологии XIX веке
- •3.12.2. Новые физиологические методы
- •3.12.3. Организация первых физиологических лабораторий и
- •3.12.4. Развитие физиологии в отдельных странах
- •3.12.5. Достижение физиологии в XIX столетии
- •3.13. Развитие эмбриологии растении
- •3.13.1. Ч. Дарвин и раскрытие значения перекрестного опыления
- •3.13.2. Изучение зародышевого мешка и пыльцевых зерен. Выяснение э. Страсбургером и и. Н. Горожанкиным механизма оплодотворения
- •3.13.3. Дальнейшие исследования процесса оплодотворения. Работы в. И. Беляева, м. Трейба, с. Г. Навашина и других
- •3.13.4. Открытие с. Г. Навашиным двойного оплодотворения
- •3.14. Начало перестройки морфологии и систематики растений на эволюционной основе
- •3.14.1. Поиски свидетельств филогенетического единства
- •3.14.2. Разработка систематики низших растений
- •3.14.3. Первые попытки создания филогенетических систем в трудах э. Краузе и ю. Сакса
- •3.14.4. Филогенетические системы конца XIX века. Разработка
- •3.14.5. Позднейшие системы растений
- •3.15. Оформление физиологии растений в самостоятельную науку
- •3.15.1. Продукты и схемы процесса фотосинтеза
- •3.15.2. Пигменты растений
- •3.15.3. Фотосинтез и различные факторы среды
- •3.15.4. Почвенное питание растений
- •3.15.5. Азотное питание растений
- •3.15.6. Осмос и передвижение растительных соков
- •3.15.7. Транспирация растений
- •3.15.8. Дыхание и брожение
- •3.15.9. Рост растений
- •3.15.10. Раздражимость и движение растений
- •3.15.11. Экспериментальная морфология растений
- •3.16. Изучение процесса размножения клеток
- •3.16.2. Детальные описания митозов во второй половине 70-х годов
- •3.16.3. Выяснение невозможности «свободного образования» клеток
- •3.17. Эволюционная теория во второй половине XIX века
- •3.17.1. Дарвинизм — единственная подлинно научная теория
- •3.17.2. Борьба за утверждение дарвинизма
- •3.17.3. Неоламаркизм и его разновидности
- •3.17.4. Телеологические концепции эволюции
- •3.17.5. Предтечи мутационной теории эволюции
- •3.17.6. Особенности развития эволюционной теории в России
- •3.17.7. Гипотеза «органического», или «совпадающего», отбора
- •3.17.8. Первые экспериментальные доказательства эффективности естественного отбора
- •Глава 4. Становление и развитие современной биологии (с середины XIX в. До начала XXI в.)
- •4.1. Изучение физико-химических основ жизни
- •4.1.1. Первые попытки создать специфическую физику и химию живого
- •4.1.2. Создание теорий химического строения, жиров, углеводов и белков
- •4.1.3. Появление калориметрии
- •4.1.4. Первые успехи в изучении природы биокаталитических реакций
- •4.1.5. Разработка биохимических основ учения о питании
- •4.1.6. Открытие витаминов и коэнзимов
- •4.1.7. Открытие гормонов
- •4.1.8. Создание новых методов
- •4.1.9. Структура и функции белков
- •4.1.10. Изучение структуры нуклеиновых кислот
- •4.1.11. Биосинтез белка
- •4.1.12. Решение проблемы аэробного дыхания
- •4.1.13. Создание представлений о системе биохимических обменных процессов
- •4.1.144. Исследования в области молекулярной биоэнергетики
- •4.1.15. Попытки реконструировать предбиологическую эволюцию
- •4.2. Микробиология и ее преобразующее воздействие на биологию
- •4.2.1. Открытие микроорганизмов
- •4.2.2. Учения о брожениях, открытие анаэробиоза
- •4.2.3. Опровержение л. Пастером теории самопроизвольного зарождения микроорганизмов
- •4.2.4. Формирование представлений о микробной природе инфекционных заболеваний. Подтверждение л.Пастером микробной теории инфекционных заболеваний
- •4.2.5. Золотой век медицинской микробиологии
- •4.2.6. Фагоциторная концепция и.И. Мечникова
- •4.2.7. Развитие гуморальной теории иммунитета
- •4.2.8. Практическое применение иммунизации и химиотерапии
- •4.2.9. Открытие антибиотиков
- •4.2.10. Разработка методов микробиологических исследований
- •4.2.11. Изучение участия микробов в природных процессах.
- •4.2.12. Открытие хемосинтеза. Создание почвенной и экологической бактериологии
- •4.2.13. Физиология и биохимия микроорганизмов
- •4.2.14. Изучение фотосинтезирующих и азотфиксирующих бактерий
- •4.2.15. Теория биохимического единства жизни
- •4.2.16. Морфология и цитология микроорганизмов
- •4.2.17. Систематика микроорганизмов, построение филогенетического древа
- •4.2.18. Молекулярная палеонтология
- •4.2.19. Практическое использование биосинтетической и трансформирующей деятельности микробов
- •4.2.20. Проблема управляемого культивирования
- •4.2.21. Основные этапы развития генетики микроорганизмов
- •4.2.22. Генетика бактерий
- •4.2.23. Изучение трансформации, трансдукции, конъюгации и лизогенной конверсии
- •4.3. Возникновение и развитие вирусологии
- •4.3. 1.Открытие вирусов
- •4.3.2. Биоразнообразие вирусов
- •4.3.3. Этапы развития вирусологии
- •4.3.4. Развитие концепции о природе вирусов
- •4.3.5. Принципы организации вирусов
- •4.3.6. Вирусы бактерий
- •4.3.7. Вирусы как возбудители заболеваний человека
- •4.3.8. Вирусы и рак
- •4.3.9. Применение вирусов
- •4.3.10. Интерферон
- •4.4. Развитие клеточной теории во второй половине XIX века, начало цитологических исследований, изучение структуры клетки
- •Развитие цитологии в первой половине XX века
- •Хромосомная теория наследственности
- •Новые методы исследований
- •Ультраструктура клетки
- •Проницаемость клеток и модели мембраны
- •Цитология во 1950-1980 гг.
- •Деление клеток и его регуляция
- •Симбиотическая теория
- •Современная клеточная теория
- •4.5. От экспериментальной эмбриологии к генетике эмбриогенеза
- •4.6. Основные направления в физиологии животных и человека
- •4.7. Экология и биосфера
- •4.8. Антропология и эволюция человека
- •Библиографический список
4.2.19. Практическое использование биосинтетической и трансформирующей деятельности микробов
С начала второй половины XX в. изучение синтетической и трансформирующей деятельности микроорганизмов ведется в тесном контакте с их селекцией и широким практическим использованием.
Главными продуктами биосинтетической активности микроорганизмов являются белки, витамины, гиббереллины, полисахариды, аминокислоты, ферменты, энтомопатогенные препараты, кормовые антибиотики. Непременным условием успешного развития этого направления стало ведение селекционной работы — получение и использование высокоактивных штаммов продуцентов, обеспечивающих рентабельность производства. Развитие селекции опирается на теоретический фундамент генетики. За сравнительно короткий срок (примерно 20 лет) при помощи селекционно-генетических методов были созданы многие высокоактивные штаммы микробов, продуктивность которых была повышена в 10—200 раз по сравнению с исходными штаммами. Их использование явилось предпосылкой создания ряда отраслей микробиологической промышленности. Классическим объектом селекции стали актиномицеты и грибы.
Начало изучения и использования биосинтетической деятельности микроорганизмов связано с получением пенициллина, который в 1940 г. Г. Флори и Э. Чейн выделили из культуры плесневого гриба, впервые описанного А. Флемингом в 1929 г. Этот продуцент был идентифицирован М. Тома как Penicillium notatum. Однако родоначальником всех высокоактивных штаммов продуцентов пенициллина, используемых в настоящее время, стал P. chrysogenum.
Существенными нововведениями в производстве пенициллина, значительно повысившими его выход, были: переход с поверхностного выращивания гриба на глубинное (этот новый тип промышленного культивирования приобрел большое значение не только для пенициллиновой, но и для всей микробиологической промышленности); перевод процесса биосинтеза с синтетических питательных сред на богатые питательными веществами среды; введение в ферментационную среду предшественника продукта биосинтеза — осколка пенициллиновой молекулы — фенилуксусной кислоты. Все эти факторы значительно усилили физиологическую активность продуцентов терапевтически наиболее ценного типа пенициллина — бензилпенициллина.
Культура актиномицета Actinomyces griseus — продуцента стрептомицина была впервые выделена в 1914 г. А. Краинским. В 40—50-е годы у микроорганизмов была открыта способность синтезировать и другие антибиотики: окситетрациклин (Act. rimosus, 1948), аурэомицин (биомицин; Str. aureofaciens, 1948), эритромицин (Act. erythreus, 1952), олеандомицин (Act. antibioticus, 1956), грамицидин (Вас. brevis) и т.д. По отношению ко всем продуцентам названных антибиотиков, а также таких антибиотиков, как ванкомицин, ристомицин, канамицин, гризеофульвин, альбомицин, целикомицин, для повышения активности продуцента были применены различные методы селекции.
Столь же успешно исследовалась способность микроорганизмов к синтезу аминокислот. Начало промышленного микробиологического синтеза аминокислот относится к 60-м годам, когда в Японии в результате обработки УФ-лучами исходных штаммов Micrococcus glutamicus, выделенного из почвы (С. Киношита, 1956), были получены штаммы, обладавшие высокой биосинтетической активностью. Изучение механизма синтеза аминокислот, вопросов взаимозаменяемости и конкурентности природных аминокислот и их аналогов позволило значительно глубже проникнуть в содержание физиолого-биохимических процессов, протекающих в микробных клетках. Были установлены явления ретроингибирования, аллостерического торможения при образовании аминокислот, определены места блокирования отдельных этапов биосинтеза у биохимических мутантов, установлены взаимные связи и перекрещивания синтезов различных аминокислот, роль предшественников и т. д.
Микробиологическим путем стали получать аланин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты, лизин, метионин, триптофан, лейцин, изолейцин и т. п. Большое внимание уделялось изучению путей микробиологического синтеза кормового белка. В качестве субстрата для выращивания продуцентов — главным образом дрожжей рода Candida — используются углеводороды и гидролизаты растительных отходов. Не менее интенсивно велись поиски возможности использования биосинтетической деятельности микробов для получения препаратов различных ферментов. Основными продуцентами ферментов являются грибы рода Aspergillus, а также некоторые бактерии и актиномицеты.
Интенсивное развитие получил также микробиологический синтез органических кислот — лимонной, итаконовой, щавелевой, глюконовой,— наиболее активными продуцентами которых являются аспергиллы; гиббереллинов, основным продуцентом которых служит культура Fusarium moniliforme; витаминов — витамина В2 (рибофлавина), витамина В12 и эргостерина.
За последние годы разностороннему изучению и широкому практическому использованию подверглась трансформирующая активность микроорганизмов. Микробиологическую трансформацию используют главным образом для получения из стероидного сырья растительного происхождения веществ, обладающих фармацевтическими или гормональными свойствами. Поиски в природе микроорганизмов — трансформаторов стероидной молекулы, способных осуществлять тончайшие реакции (гидроксилирования, дегидрогенизации, дезацетилирования, восстановления и т. п.), ведут по двум направлениям: обнаружение в природе таксономических групп, способных производить ту или иную трансформацию, и выделение методами селекции наиболее активных штаммов. Так были найдены штаммы некоторых грибов, способные осуществлять трансформацию с выходом кортизона и гидрокортизона, актиномицеты и микобактерии, применяющиеся для получения преднизона, преднизолона, диакобала, культуры грибов и микобактерии, селективно дезацетилирующие стероидные соединения.
Исследования трансформирующей активности микроорганизмов основывались на углубленном изучении их физиологии и интенсификации нужных ферментативных процессов. Были найдены также коррелятивные связи между морфологическими свойствами и химической активностью и установлена возможность подбором соответствующих условий (например, окислительно-восстановительных) и усилением нужной ферментативной активности микробов направлять процесс трансформации.
В последнее время на вирусы, бактерии и грибы обратили внимание ученые-материаловеды. Оказывается, микроорганизмы способны не только вырабатывать различные нужные для современных технологий вещества, но и сами могут служить важными компонентами новых материалов. Например, ученые начинают использовать микроорганизмы для сборки кристаллов в сложные геометрические структуры или в качестве живой матрицы для роста кристаллов. Новые способы управлять ростом кристаллов вызвали огромный интерес среди материаловедов, так как существует теснейшая связь между структурой материала и его свойствами. Размеры некоторых микроорганизмов, например, вирусов, не превышают нескольких десятков нанометров в длину. До сих пор не удается получить однородные синтетические частицы таких размеров. Микроорганизмы же достаточно доступны, имеют одинаковый размер, и приемы работы с ними относительно просты. Как правило, для жизнеобеспечения микроорганизмов требуются умеренные температура, давление и кислотность среды. Поэтому микробы – идеальные кандидаты для разработки новых экологически чистых технологий, взамен прежних процессов, где часто применяются высокие температуры, давление и агрессивные среды.
Многие микроорганизмы вырабатывают неорганические вещества, которые представляют интерес для материаловедов. Некоторые микроорганизмы способны усваивать соединения металлов и затем в процессе биосинтеза накапливать металл в виде структур со строгой пространственной конфигурацией. В 1999 г. была опубликована статья группы исследователей из Университета города Упсала (Швеция), в которой описан биосинтез кристаллов солей серебра бактериями Pseudomonas stutzeri штамма AG259. Этот вид бактерий обитает на месторождениях серебряных руд. В процессе метаболизма между цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой бактерий образуются кристаллы солей серебра размером до 200 нм (рис. 4.2э43). Было показано, что бактерии способны образовывать не менее трех различных типов кристаллов с четкой пространственной структурой. Ученые предполагают, что, изменяя условия культивирования бактерий, можно будет синтезировать кристаллы с заданными параметрами. Возможность получать микрокристаллы серебра размером несколько нанометров чрезвычайно важна для микроэлектроники. Искусственное получение подобных микрокристаллов отличается малой производительностью при высоких затратах.
Рис. 4.2.43. Электронная микрофотография тонкого среза клеток P. stutzeri AG259. Видны крупные кристаллические частицы Ag и Ag2S, заключенные между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной.
Таким образом, применение микроорганизмов способно существенно упростить разработку новых материалов, так как именно микроскопическое строение материала в конечном счете определяет его свойства.