Биология

 

Многоуровневый характер живых систем и, соответственно, биологии непосредственно очевиден. Мы имеем дело с уровнями структурной организации: молекулы, надмолекулярные структуры, образующие органоиды клетки, клетки, ткань, орган, система органов, организм, популяция, биоценоз, биосфера. Этой иерархии отвечает последовательность разделов биологии: молекулярная биология, биоорганическая и бионеорганическая химия, биохимия, цитология, гистология, анатомия и физиология, популяционная зоология и ботаника, биоценология и экология. Необходимо подчеркнуть отсутствие границ между указанными уровнями, как структуры, так и исследований, их взаимосвязь и взаимопроникновение. Одновременно на столь же законном основании биология подразделяется на зоологию и ботанику (с их дальнейшим делением), генетику и биологию развития, эволюционное учение в целом. В биологии находит свое выражение грандиозное многообразие живой природы. На всех уровнях биология ведет в прикладные области – в медицину, в сельское хозяйство, в технологию.

 Можно отметить главные черты развития биологии, которое в наше время чрезвычайно ускорилось.

 Первым этапом на всех уровнях являются описание и классификация объектов исследования. В биологии значимость этого этапа не может быть преувеличена именно вследствие указанного многообразия. Зоология и ботаника, классификация тканей и клеток, внутриклеточных органоидов и биологически функциональных молекул – активно развивающиеся области знания, и сейчас трудно представить себе время, когда они себя исчерпают.

 Следующий этап – раскрытие функциональности изучаемых биологических систем. Так, зоология и ботаника объединяются с физиологией животных и растений и переходят от внешних признаков, характеризующих биологический вид, к изучению динамической структуры организма. Уже на этом этапе биология встречается с химией и физикой. Достаточно упомянуть о выяснении сущности дыхания и кровообращения, распространения нервного импульса, фотосинтеза. Одновременно биология формулирует проблемы развития – физиология оказывается связанной с онтогенезом, систематика видов естественным образом ставит вопросы об их взаимоотношениях и происхождении. Возникают генетика, учение об эволюции, экология.

 

Последующие этапы знаменуют углубление уровня исследований. Биохимия, поначалу развивавшаяся под эгидой физиологии, выдвигает проблемы, относящиеся к истолкованию фундаментальных явлений жизни – наследственности и изменчивости, ферментативного катализа и мембранного транспорта. Объединение биохимии и генетики с физикой и химией определило построение молекулярной биологии. Переходы на более глубокие уровни ярко демонстрируются историей генетики – постепенным уточнением природы носителей наследственности и наследственных признаков (в случае эукардотов):

 

Организм ® Клетка ® Ядро ® Хромосомы ® Гены ® ДНК.

 

Для прокариотов эта схема выглядит проще:

 

Клетка ® Гены ® ДНК (хромосомы).

 

Эта историческая схема представляет переход от организменного к глубинному, молекулярному уровню исследования наследственности.

 Соотношение биологии и физики отличается от соотношения химии и физики. Различие, о котором идет речь, определяется гораздо большим многообразием объектов и уровней исследования в биологии. Химия изучает структуру и превращения молекул, биология изучает всю живую природу – от молекул до биоценозов и биосферы в целом. Мы хотим понять как молекулярную природу регуляции генов, так и процесс биологической эволюции. Соответственно реализуется и многоуровневая биологическая физика, долженствующая в дальнейшем стать теоретической биологией.

 Различие между химией и биологией – историческое. К тому времени, когда химия обратилась к физике за построением своих теоретических основ, важнейшие химические закономерности были уже установлены, и задача состояла в их физическом истолковании. Вследствие чрезвычайной сложности и многообразия живой природы лишь немногие биологические проблемы изучены сейчас настолько хорошо, что стала возможной четкая формулировка физических задач, к ним относящихся. Яркий пример – опять-таки генетика.

 Создание молекулярной биологии, непосредственно связанной с самым глубоким физико-химическим уровнем исследования, оказалось возможным лишь в результате развития биологии – генетики, цитологии, биохимии. Выяснение генетической функциональности ДНК и ее биохимических характеристик позволило поставить ряд физических задач, сейчас разрешенных. Эти задачи – молекулярное строение ДНК, способ ее репликации, мутагенез и, наконец, проблема генетического кода. Их решение определяет переход на более высокий уровень биологической организации – переход к изучению регуляции генов в клетках эукариотов, к изучению дифференцировки клеток, морфогенеза и канцерогенеза.

 На молекулярно-биологическом уровне роль физики, в общем та же, что и в химии, – она состоит в изучении и объяснении сильных и слабых молекулярных взаимодействий. Однако здесь есть своя специфика, определяемая макромолекулярным строением и свойствами белков и нуклеиновых кислот. Можно указать основные физико-химические принципы молекулярной биологии.

 Во-первых, на основе ранее развитой статистической механики макромолекул раскрыты особенности конформационных свойств биополимеров, определяемых их структурой и динамикой. Биополимер – кооперативная система, обладающая локальной конформационной подвижностью, конденсированная система, подобная апериодическому кристаллу.

 Во-вторых, упомянутая выше молекулярная сигнализация и трансформация сигналов имеет в своей основе слабые, нехимические взаимодействия (водородные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия и т.д.). Эти взаимодействия определяют важнейшие для молекулярной биологии процессы молекулярного узнавания.

 В-третьих, функции биополимеров такие как ферментативный катализ, механо-химические процессы (мышечное сокращение) и т.д., определяются, конечно, динамикой электронов и атомных ядер этих макромолекул. Специфика состоит в том, что ядерные движения в них, требующие наименьших затрат энергии, представляют собой повороты вокруг единичных связей. Соответственно, одна из главных проблем молекулярной биофизики состоит в изучении взаимодействия электронных и конформационных степеней свободы – электронно-конформационных взаимодействий.

 В-четвертых, изучение нуклеиновых кислот привели к открытию каталитического матричного биосинтеза, опять-таки основанного на молекулярном узнавании. Понимание этих особенностей биополимеров дало очень много, и молекулярная биология сейчас хорошо развита. Однако здесь предстоит еще большая работа. Достаточно указать на то, что мы еще не располагаем количественной физической теорией ферментативного катализа.

 На молекулярном уровне физика и химия имеют дело преимущественно с вычлененными молекулами. Несмотря на указанные их особенности, здесь нет принципиальных отличий от обычной химии. Собственно биологические закономерности возникают на более высоких уровнях организации, отвечающих живым системам.

 

Две главные физические проблемы встают при изучении жизни – проблема поведения открытых систем и связанная с нею проблема развития.

 Классическая термодинамика есть термостатика, она изучает феноменологические равновесные свойства изолированных систем. Единственное положение, выходящее за эти пределы и имеющее исторический характер, состоит в том, что изолированная система, выведенная из равновесия, стремится перейти в равновесное состояние, которому отвечает максимальная энтропия. Лишь в этом смысле второе начало термодинамики формулирует закон эволюции физической системы, ограничиваясь системой изолированной. Историческое развитие биологической системы видимым образом противоречит такому определению – живая система развивается в направлении возрастающей упорядоченности. Соответственно принято говорить об «антиэнтропийности» жизни.

 Биологическая физика, общая задача которой состоит в обосновании теоретической биологии, есть многоуровневая система знаний – в соответствии с многоуровневой структурой живых систем. Современная биофизика условно разделяется на молекулярную биофизику, биофизику клетки и биофизику сложных регуляторных систем. Мосты между этими тремя уровнями еще редки. Биофизика сложных систем занимается преимущественно теоретическим, физико-математическим моделированием биологических процессов, в частности процессов развития. Эта область пока еще мало связана с молекулярным уровнем исследований, хотя она и пользуется рядом положений, установленных в молекулярной биологии и биофизике.

 Рассматривая проблему связи физики с биологией, Нильс Бор вначале считал, что здесь справедлив принцип дополнительности и жизнь необъяснима, но является первичным постулатом, подобно кванту действия. Иным словами, изучение организма на атомно-молекулярном уровне несовместимо с его изучением как целостной системы – два этих описания дополнительны. В дальнейшем, под влиянием успехов молекулярной биологии, Бор говорил уже не о принципиальной, но о практической дополнительности, определяемой чрезвычайной сложностью живой системы. С этим утверждением можно согласиться, практическая дополнительность действительно существует. Ее смысл сводится к многоуровневости биологической системы и ее физического познания. Но современная биофизика, вступившая на путь стремительного развития, показывает, что исследования, проводимые на различных уровнях, совместимы.

 

Результаты, полученные на уровне молекулярной биофизики, ложатся в основу теоретического моделирования биологической эволюции.

 Изложенное выше показывает, что некоторые фундаментальные положения биофизики можно считать установленными. Теоретическая химия построена, теоретическая биология находится еще на стадии возведения лесов. Однако то, что уже достигнуто и, добавим, за короткое время, имеет непреходящее значение. Начатая в науке «физикализация» биологии уже привела к решительному ее углублению, и прояснила смысл и содержание важнейших биологических проблем. Есть все основания оптимистически смотреть на будущее биофизики и тем самым теоретической биологии.

 Такие понятия, как «физикализация» и связанная с ней «математизация», пугают многих. Приходится встречаться с отрицательным отношением к «физикализации», с ее отождествлением с редукционизмом, механицизмом, со сведением сложных явлений к простым. Некоторые биологи, далекие от современной биофизики, склонны видеть во вторжении физики и химии в биологию покушение на ее самостоятельность, отрицание специфики биологических явлений. Эти представления ложны. «Физикализация» не означает ни «сведения», ни редукционизма. Физика, будучи общей наукой о строении, свойствах и формах существования материи, никак не более проста, чем химия или биология. Речь идет не о редукционизме, но об интеграции естествознания, подлинную структуру которого мы понимаем сегодня лучше, чем раньше. Наука изучает целостный материальный мир, его многоуровневую систему. Различные уровни исследования представлены в разных областях естествознания. Глубинный уровень – всегда физический, и именно это положение определяет содержательность и значимость специфических уровней исследования химии, биологии и других естественных наук.

 Объединение естествознания на физической основе – новый этап в познании природы. Эпоха узкой специализации заканчивается. На смену физику, химику, биологу приходит естествоиспытатель, вооруженный широкими знаниями, сознающий взаимосвязь различных областей исследования. Подлинное понимание биофизики или молекулярной биологии требует знаний в области зоологии и ботаники, нельзя изучать строение органических соединений, не представляя себе возможностей квантовой механики.