Большая Советская Энциклопедия (БИ)

Большая Советская Энциклопедия

Значительные успехи достигнуты в физиологии и биохимии животных: учение об условных рефлексах, разработанное И. П. Павловым; бурное развитие нейрофизиологии; изучение физиологии и биохимии мышечного сокращения; выделение и всестороннее исследование ферментов, определяющих направление и скорость различных процессов биосинтеза, и осуществление с их помощью синтеза гормонов (инсулин и др.), витаминов, ферментов (рибонуклеаза и др.) и иных биологически активных веществ. Физиология растений добилась успехов в познании химии фотосинтеза, в изучении участвующих в нём пигментов и прежде всего хлорофилла, который удалось искусственно синтезировать. Есть успехи в изучении роста и развития растений, например выделены и частично синтезированы некоторые гормоны роста (ауксины, гиббереллины).

Многие исследования, в том числе и советских биологов, имели не только теоретические, но и важное прикладное значение, например для медицины или сельского хозяйства.

Таковы учение о трансмиссивных заболеваниях и природной очаговости Е. Н. Павловского, капитальные труды по паразитологии В. А. Догеля, В. Н. Беклемишева и К. И. Скрябина, закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и учение о центрах происхождения культурных растений Н. И. Вавилова и мн. др.

Существенное развитие получила эволюционная теория. Так, в 20—30-х гг. был осуществлен синтез дарвинизма и генетики. Вскрытие роли в эволюции популяцийкак мутационного процесса, так и динамики численности и изоляции, при направляющем действии отбора, позволило разработать современные эволюционные представления, подкрепляющие, углубляющие и развивающие дарвинизм. Теоретический анализ этих процессов дали русский учёный С. С. Четвериков (1915, 1926), американский — С. Райт (1921—32), английские — Дж. Б. С. Холдейн (1924—32) и Р. Фишер (1928—30). Изучение природных популяций подтвердило правильность этого анализа и раскрыло сущность микроэволюции — процессов, протекающих на уровне до видообразования. Выделение микро- и макроэволюционных уровней способствовало разработке теории факторов эволюции (советский биолог И. И. Шмальгаузен и др.), обоснованию главных типов эволюции и вычленению из них в качестве основных — ароморфозов и идиоадаптаций (А. Н. Северцов), развитию представлений о темпах и формах эволюции.

Большие успехи достигнуты в изучении закономерностей образа жизни организмов и их связи со средой обитания, т. е. в экологии как особей и популяций, так и сложных сообществ (биоценозов и экосистем). Выявлены закономерности связи условий среды с распределением организмов в пространстве и времени; особенности сложной структуры популяций и биоценозов; факторы, определяющие динамику численности популяций, и другие фундаментальные зависимости. Созданы концепции трофических уровней, цепей питания, жизненных форм, экологических ниш, биологической продуктивности и связанных с ней понятий и представлений. Крупнейшим достижением Б. является создание советскими учёными В. И. Вернадским биогеохимии и учения о биосфере (1926) и В. Н. Сукачевым — биогеоценологии, которые составят научную основу взаимоотношений человечества со средой своего обитания — биосферой Земли.

Развитие большинства из упомянутых и, других важных направлений современной Б. было подготовлено в СССР научной деятельностью многих выдающихся биологов. Помимо названных, следует вспомнить имена биохимиков А. Н. Баха, В. С. Гулевича, А. Р. Кизеля, В. И. Палладина, Я. О. Парнаса, Д. Н. Прянишникова; физиологов В. М. Бехтерева, Н. Е. Введенского, Л. А. Орбели, А. Ф. Самойлова, А. А. Ухтомского; микробиологов Б. Л. Исаченко, В. Л. Омелянского, В. О. Таусона; ботаников В. Л. Комарова, С. П. Костычева, Н. А. Максимова; зоологов Л. С. Берга, Н. М. Книповича, В. М. Шимкевича; гистологов, эмбриологов и генетиков С. Н. Давиденкова, М. М. Завадовского, А. А. Заварзина, С. Г. Левита, А. С. Серебровского, Ю. А. Филипченко, Н. Г. Хлопина и многих других, оставивших крупные научные школы.

Однако развитие Б. в СССР отмечено не только периодами успехов и открытий, В 1936 и 1939 имел место ряд острых дискуссий по методологическим проблемам теоретической Б. В ходе этих дискуссий подверглись резкой, субъективистской критике некоторые положения генетики и дарвинизма и основанные на них принципы селекции. Группа учёных (Т. Д. Лысенко и др.) отстаивала ошибочные, механистические взгляды на природу наследственности, видообразования, естественного отбора, органической целесообразности и др. Эти взгляды были декларированы как развитие научного наследия выдающегося советского селекционера И. В. Мичурина и названы «мичуринской биологией» и «творческим дарвинизмом». После сессии ВАСХНИЛ (1948) обстановка особенно обострилась, исследования ряда направлений общей биологии полностью прекратились. Всё это создало почву для распространения непроверенных фактов и гипотез (учение о неклеточном «живом веществе», скачкообразное «порождение» видов, «превращение» вирусов в бактерии и др.). Отрицательную роль сыграли также дискуссии по физиологии (Объединённая сессия АН и АМН СССР, 1950), по эволюционной морфологии (1953). Всё это сильно затормозило развитие в СССР генетики, эволюционного учения, цитологии, молекулярной Б., физиологии, эволюционной морфологии, систематики и других отраслей Б. Коренная нормализация положения произошла в октябре 1964, когда были предприняты меры по восстановлению и развитию современного генетического и других направлений (созданы соответствующие институты, организовано Всесоюзное общество генетиков и селекционеров, резко усилена подготовка специалистов в этих областях). Это обеспечивает активное участие советской Б. в бурном развитии мирового естествознания, на передовых рубежах которого во 2-й половины 20 в. находится Б.

Уровни организации и изучения жизненных явлений

Для живой природы характерно сложное, иерархическое соподчинение уровней организации её структур. Вся совокупность органического мира Земли вместе с окружающей средой образует биосферу, которая складывается из биогеоценозов — областей с характерными природными условиями, заселённых определёнными комплексами (биоценозами) организмов; биоценозы состоят из популяций — совокупностей животных или растительных организмов одного вида, живущих на одной территории; популяции состоят из особей; особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованных различными клетками; клетки, как и одноклеточные организмы, состоят из внутриклеточных структур, которые строятся из молекул. Для каждого из выделенных уровней характерны свои закономерности, связанные с различными масштабами явлений, принципами организации, особенностями взаимоотношения с выше- и нижележащими уровнями. Каждый из уровней организации жизни изучается соответствующими

отраслями современной Б. На молекулярном уровне биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, молекулярной генетикой, цитохимией, многими разделами вирусологии, микробиологии изучаются физико-химические процессы, осуществляющиеся в живом организме. Исследования живых систем на этом уровне показывают, что они состоят из низко- и высокомолекулярных органических соединений, практически не встречающихся в неживой природе. Наиболее специфичны для жизни такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды (жироподобные соединения) и составные части их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, простые углеводы, жирные кислоты и др.). На молекулярном уровне изучают синтез и репродукцию, распад и взаимные превращения этих соединений в клетке, происходящий при этом обмен веществом, энергией и информацией, регуляцию этих процессов. Уже выяснены основные пути обмена, важнейшая особенность которых — участие биологических катализаторов — белков-ферментов, строго избирательно осуществляющих определённые химические реакции. Изучено строение ряда белков и некоторых нуклеиновых кислот, а также многих простых органических соединений. Показано, что химическая энергия, освобождающаяся в ходе биологического окисления (гликолиз, дыхание), запасается в виде богатых энергией (макроэргических) соединений, в основном аденозинфосфорных кислот (АТФ и др.), и в дальнейшем используется в требующих притока энергии процессах (синтез и транспорт веществ, мышечное сокращение и др.). Крупный успех Б. — открытие генетического кода. Наследственные свойства организма «записаны» в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) четырьмя видами чередующихся в определённой последовательности мономеров-нуклеотидов. Способность молекул ДНК удваиваться (самокопироваться) обеспечивает их воспроизведение в клетках организма и наследственную передачу от родителей к потомкам. Реализация наследственной информации происходит при участии синтезируемых на матричных молекулах ДНК молекул рибонуклеиновой кислоты — РНК, которые переносятся от хромосом ядра на специальные внутриклеточные частицы — рибосомы, где и осуществляется биосинтез белка. Т. о., закодированная в ДНК наследственность контролирует через белки-ферменты как структурные белки, так и все основные свойства клеток и организма в целом.

Биологические исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, выяснения их взаимоотношений друг с другом. Для разделения макромолекул используются их различия в плотности и размерах (ультрацентрифугирование), зарядах (электрофорез), адсорбционных свойствах (хроматография). Взаимное пространственное расположение атомов в сложных молекулах изучают методом рентгеноструктурного аналаза. Пути превращения веществ, скорости их синтеза и распада исследуют путем введения соединений, содержащих радиоактивные атомы. Важным методом является также создание искусственных модельных систем из выделенных клеточных компонентов, где частично воспроизводятся процессы, идущие в клетке. (Все биохимические процессы в клетке происходят не в однородной смеси веществ, а на определённых клеточных структурах, создающих пространственную разобщённость различных одновременно протекающих реакций.)

При переходе к исследованию клеточных структур, состоящих из определённым образом подобранных и ориентированных молекул, Б. поднимается на следующий уровень организации жизни — клеточный. На этом уровне цитология, гистология и их подразделения (кариология, цитогенетика, цито- и гистохимия, цитофизиология и др.), а также многие разделы вирусологии, микробиологии и физиологии изучают строение клетки и внутриклеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в разных тканях и органах. Клетка — основная самостоятельно функционирующая единица структуры многоклеточного организма. Многие организмы (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) состоят из одной клетки, точнее, являются бесклеточными. Свойства клетки определяются её компонентами, осуществляющими различные функции. В ядре находятся хромосомы, содержащие ДНК и, следовательно, ответственные за сохранение и передачу дочерним клеткам наследственных свойств. Энергетический обмен в клетке — дыхание, синтез АТФ и др. — происходит главным образом в митохондриях. Поддержание химического состава клетки, активный транспорт веществ в неё и из неё, передача нервного возбуждения, форма клеток и характер их взаимоотношений определяются структурой клеточной оболочки. Совокупность клеток одного типа образует ткань, функциональное сочетание нескольких тканей —орган. Строение и функции тканей и органов в основном определяются свойствами специализированных клеток.

Исследованиями на клеточном уровне выяснены основные компоненты клетки, строение различных клеток и тканей и их изменения в процессах развития. При изучении клеток в световом микроскопе, позволяющем видеть детали порядка 1 мкм, для большей контрастности изображения применяют разные методы фиксации, приготовления тонких прозрачных срезов, их окраски и др. (см. Микроскопия). Локализацию в клетке различных химических веществ и ферментов выявляют цветными гистохимическими реакциями, места синтеза макромолекул — авторадиографией. Электронная микроскопия позволяет различать структуры порядка 5—10 A, т. е. вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднено из-за недостаточной контрастности изображения. Функции внутриклеточных компонентов изучают, выделяя их из разрушенных (гомогенизированных) клеток осаждением в центрифугах с различными скоростями вращения. Свойства клеток исследуют также в условиях длительного культивирования их вне организма (см. Культуры тканей); пользуясь микроманипуляторами и методами микрургии, производят обмен ядрами между клетками, слияние (гибридизацию) клеток и т.д.