Биология

Биология - История биологии - Возникновение дисциплины

Слово «биология» время от времени появлялось в работах естествоиспытателей и до XIX века, однако смысл его был в то время совершенно иным. Карл Линней, например, называл «биологами» авторов, составлявших жизнеописания ботаников. На рубеже XVIII и XIX веков сразу три автора использовали слово «биология» в современном смысле для обозначения науки о общих особенностях живых тел. Готфрид Рейнгольд Тревиранус даже вынес его в заглавие научного труда «Biologie; oder die Philosophie der lebenden Natur».

Развитие биологии

XIX век

Набросок родословного древа в «Первой записной книжке о трансмутации видов» Чарльза Дарвина

Наиболее значимыми событиями первой половины XIX века стали становление палеонтологии и биологических основ стратиграфии, возникновение клеточной теории, формирование сравнительной анатомии и сравнительной эмбриологии, развитие биогеографии и широкое распространение трансформистских представлений. Центральными событиями второй половины XIX века стали публикация «Происхождения видов» Чарльза Дарвина и распространение эволюционного подхода во многих биологических дисциплинах, становление филогенетики, развитие цитологии и микроскопической анатомии, экспериментальной физиологии и экспериментальной эмбриологии, формирование концепции специфического возбудителя инфекционных заболеваний, доказательство невозможности самозарождения жизни в современных природных условиях.

Появление органической химии и экспериментальной физиологии

Химики того времени усматривали принципиальное различие между органическими и неорганическими веществами, в частности, в таких процессах как ферментация и гниение. Со времен Аристотеля они считались специфически биологическими. Однако Фридрих Вёлер и Юстус Либих, следуя методологии Лавуазье, показали, что органический мир уже тогда часто мог быть проанализирован физическими и химическими методами. В 1828 г. Вёлер химически, т.е. без применения органических веществ и биологических процессов, синтезировал органическое вещество мочевину, представив тем самым первое доказательство для опровержения витализма. Затем было обнаружено каталитическое действие бесклеточных экстрактов на химические реакции, благодаря чему к концу XIX в. была сформулирована современная концепция ферментов, хотя математическая теория ферментативной кинетики появилась только в начале ХХ века.

Физиологи, такие как Клод Бернар, с помощью вивисекции и другими экспериментальными методами исследовали химические и физические свойства живого тела, закладывая основы эндокринологии, биомеханики, учения о питании и пищеварении. Во второй половине XIX в. разнообразие и значимость экспериментальных исследований как в медицине, так и в биологии непрерывно возрастали. Главной задачей стали контролируемые изменения жизненных процессов, и эксперимент оказался в центре биологического образования.

XX век

В XX веке с переоткрытием законов Менделя начинается бурное развитие генетики. К 1920-м гг. не только формируется хромосомная теория наследственности, но и появляются первые работы, ставящие своей задачей интеграцию нового учения о наследственности и теории эволюции. После Второй мировой войны начинается развитие молекулярной биологии. Во второй половине XX века был достигнут значительный прогресс в изучении жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровне.

Классическая генетика

Схематическое изображение кроссинговера из работы Т. Х. Моргана

1900 г. ознаменовался "переоткрытием" законов Менделя. Де Фриз и другие исследователи независимо друг от друга пришли к пониманию значимости работ Менделя.Вскоре после этого цитологи пришли к выводу, что клеточными структурами, несущими генетический материал, скорее всего являются хромосомы. В 1910-1915 гг. Томас Хант Морган и его группа, работавшая на плодовой мушке дрозофиле, разработала "менделевскую хромосомную теорию наследственности". Следуя примеру Менделя, они исследовали явление сцепления генов с количественной точки зрения и постулировали, что в хромосомах гены расположены линейно, как бусы на нитке. Они начали создавать карты генов дрозофилы, которая стала широко используемым модельным организмом сначала для генетических, а затем и молекулярно-биологических исследований.

Де Фриз пытался соединить новую генетическую теорию с теорией эволюции. Он первым предложил термин мутация для изменений генов. В 1920-1930х годах появилась популяционная генетика. В работах Фишера, Холдейна и других авторов теория эволюции, в конце концов, объединилась с классической генетикой в синтетической теории эволюции.

Во второй половине ХХ века идеи популяционной генетики оказали значительное влияние на социобиологию и эволюционную психологию. В 1960х годах для объяснения альтруизма и его роли в эволюции через отбор потомков, появилась математическая теория игр. Дальнейшей разработке подверглась и синтетическая теория эволюции, в которой появилось понятие о дрейфе генов и других процессах, важных для появления высокоразвитых организмов.

В 1970х Гулд и Элдридж разработали теорию прерывистого равновесия, которая объясняла причины быстрых эволюционных изменений в исторически короткое время, ранее составлявших базу для "теории катастроф". В 1980 г. Луис Альварес предложил метеоритную гипотезу вымирания динозавров. Тогда же в начале 1980х годов были статистически исследованы и другие явления массового вымирания в истории земной жизни.

Биохимия

К концу XIX в. были открыты основные пути метаболизма лекарств и ядов, белка, жирных кислот и синтеза мочевины. В начале ХХ в. началось исследование витаминов. Улучшение техники лабораторных работ, в частности, изобретение хроматографии и электрофореза стимулировало развитие физиологической химии, и биохимия постепенно отделилась от медицины в самостоятельную дисциплину. В 1920х — 1930х годах Ханс Кребс, Карл и Герти Кори начали описание основных путей метаболизма углеводов: цикла трикарбоновых кислот, гликолиза, глюконеогенеза. Началось изучение синтеза стероидов и порфиринов. Между 1930ми и 1950ми годами Фриц Липман и другие авторы описали роль аденозинтрифосфата как универсального переносчика биохимической энергии в клетке, а также митохондрий как её главного источника энергии. Эти традиционно биохимические области исследования продолжают развиваться до сих пор.

Происхождение молекулярной биологии

Уэнделл Мередит Стэнли в 1935 г. опубликовал эту фотографию кристаллов вируса табачной мозаики. Они представляют собой чистые нуклеопротеиды, что убедило многих биологов в том, что наследственность должна иметь физико-химическую природу.

В связи с появлением классической генетики многие биологи, в том числе, работающие в области физико-химической биологии, пытались установить природу гена. Для этой цели Фонд Рокфеллера учредил несколько грантов, а чтобы обозначить задачу, глава научного отдела Фонда Уоррен Уивер ещё в 1938 г. использовал термин молекулярная биология. Он и считается автором наименования этой области биологии.

Как и биохимия, смежные дисциплины бактериология и вирусология в то время бурно развивались на стыке медицины и других естественных наук. После выделения бактериофага начались исследования вирусов бактерий и их хозяев. Это создало базу для применения стандартизированных методов работы с генетически однородными микроорганизмами, которые давали хорошо воспроизводимые результаты, и позволило заложить основы молекулярной генетики.

Кроме микроорганизмов объектами генетических экспериментов стали мушка дрозофила, кукуруза и хлебная плесень, нейроспора густая, что позволило применять также методы биохимии, а появление электронного микроскопа и высокоскоростных центрифуг позволило пересмотреть даже само понятие «жизнь». Понятие о наследственности у вирусов, воспроизведение внеядерных нуклеопротеиновых структур усложнили ранее принятую теорию менделевских хромосом .

В 1941 г. Бидл и Тейтем сформулировали свою гипотезу «один ген — один фермент». В 1943 г. Освальд Эйвери, продолжая работу, начатую Фредериком Гриффитом, показал, что генетическим материалом в хромосомах является не белок, как думали ранее, а ДНК. В 1952 г. этот результат был подтвержден в эксперименте Херши—Чейз, и это был лишь один из многих важных результатов, достигнутых так называемой фаговой группой Дельбрюка. Наконец, в 1953 г. Уотсон и Крик, основываясь на работе Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин, предложили свою знаменитую структуру ДНК в виде двойной спирали. В своей статье «Molecular structure of Nucleic Acids» они заявили: «От нашего внимания не укрылось то, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, одновременно позволяет сделать предположение о механизме копирования генетического материала». Когда через несколько лет механизм полуконсервативной репликации был подтвержден экспериментально, большинству биологов стало ясно, что последовательность оснований в нуклеиновой кислоте каким-то образом определяет и последовательность аминокислотных остатков в структуре белка. Но идею о наличии генетического кода сформулировал не биолог, а физик Георгий Гамов.

Развитие биохимии и молекулярной биологии во второй половине ХХ века

Расшифровка генетического кода заняла несколько лет. Эта работа была выполнена главным образом Ниренбергом и Кораной и закончена к концу 1960х годов. Тогда же Перуц и Кендрю из Кембриджа впервые применили рентгеноструктурный анализ в сочетании с новыми возможностями вычислительной техники для исследования пространственной структуры белков. Жакоб и Моно из Института Пастера исследовали строение lac оперона и открыли первый механизм регуляции генов. К середине 1960х годов основы молекулярной организации метаболизма и наследственности были установлены, хотя детальное описание всех механизмов только начиналось. Методы молекулярной биологии быстро распространялись в другие дисциплины, расширяя возможности исследований на молекулярном уровне. Особенно это было важно для генетики, иммунологии, эмбриологии и нейробиологии, а идеи о наличии «генетической программы» проникли и во все остальные биологические дисциплины.

Полученные генноинженерными методами линии бактерии Escherichia coli — важнейший инструмент современной биотехнологии и многих других областей биологии.

В иммунологии в связи с достижениями молекулярной биологии появилась теория клональной селекции, которую развивали Ерне и Бёрнет. В биотехнологии появление генной инженерии, начиная с 1970х годов, привело к появлению широкого спектра продуцентов новых продуктов, в частности, лекарственных препаратов, таких как треонин и инсулин.

Генетическая инженерия основана прежде всего на применении техники рекомбинантных ДНК, то есть таких молекул ДНК, которые искусственно перестроены в лаборатории путём рекомбинации их отдельных частей. Для разрезания ДНК применяют специальные ферменты рестриктазы, которые были открыты в конце 1960х годов. Сшивание кусков ДНК катализирует другой фермент, лигаза. Так можно получить и ввести в бактерии ДНК, содержащую, например, ген резистентности к определённому антибиотику. Если бактерия, получив рекомбинантную ДНК, переживет трансформацию, она начнет размножаться на среде, содержащей данный антибиотик, и это будет обнаружено по появлению колоний трансгенного организма.

Принимая во внимание не только новые возможности, но и потенциальную угрозу от применения таких технологий научное сообщество ввело временный мораторий на научно-исследовательские работы с рекомбинантными ДНК до тех пор, пока в 1975 г на специальной конференции не были выработаны рекомендации по технике безопасности при такого рода работах. После этого наступил период бурного развития новых технологий.

Штатив амплификатора, устройства, позволяющего проводить полимеразную цепную реакцию одновременно в 48 препаратах.

К концу 1970х годов появились методы определения первичной структуры ДНК, химического синтеза коротких фрагментов ДНК, введения ДНК в клетки человека и животных. Чтобы работать с генами человека и животных, необходимо было разобраться с различиями в устройстве генов прокариот и эукариот. Эта задача была в целом решена благодаря открытию сплайсинга.

К 1980 м годам определение первичных последовательностей белков и нуклеиновых кислот позволило использовать их как признаки для систематики и особенно кладистики; так появилась молекулярная филогенетика. К 1990 г на основании сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей 16S рРНК Карл Вёзе предложил новую систему живых существ: царство монер было разделено на два домена эубактерий и архей, а остальные четыре царства — объединены в один домен эукариот.

Появление в 1980х годах техники ПЦР значительно упростило лабораторную работу с ДНК и открыло возможность не только для открытия новых ранее неизвестных генов, но и для определения всей нуклеотидной последовательности целых геномов, то есть для исчерпывающего описания структуры всех генов организма. В 1990х годах эта задача была в целом решена в ходе выполнения международного проекта «Геном человека»