Становление и развитие генетики. Молекулярная биология

Биология первой половины XX века основывалась на тех достижениях, которые были сделаны в этой науке во второй половине XIX века: создание Ч. Дарвином эволюционного учения, основополагающие работы К. Бернара в области физиологии, важнейшие исследования Л. Пастера, Р. Коха и И.И. Мечникова в области микробиологии и иммунологии, работы И.М. Сеченова и И.И. Павлова в области высшей нервной деятельности и, наконец, блестящие работы Г. Менделя, не получившие, правда, известности до начала XX столе­тия.

XX век явился продолжением не менее интенсивного прогресса в био­логии. В 1900 году голландским ученым-биологом X. де Фризом (1848-1935), немецким ученым-ботаником К.Э.Корренсом (1864—1933) и австрийским ученым Э. Чермак-Зейзенеггом (1871-1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были открыты и стали всеобщим достоянием зако­ны наследственности, установленные Менделем.

Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят прин­цип дискретности в явлениях наследственности, открытый еще Менделем; опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и признаков родителей были значительно расширены. Было принято понятие «ген», введенное известным датским биологом Вильгельмом Иогансоном (1857—1927) в 1909 году и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака.

Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содер­жащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) — высокомолекулярное соединение, носитель наследственных признаков.

Развитию генетики способствовали в большой мере исследования из­вестного американского биолога, одного из основоположников этой науки Томаса Ханта Моргана (1866-1945). Он сформулировал хромосомную тео­рию наследственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т.е. их клетки (за исключением половых) имеют на­боры парных хромосом, однотипных хромосом от женского и мужского орга­низмов. Хромосомная теория наследственности сделала более понятными яв­ления расщепления в наследовании признаков.

Важным событием в развитии генетики стало открытие мутаций — внезапно возникающих изменений в наследственной системе организмов, ко­торые могут привести к устойчивому изменению свойств гибридов, переда­ваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно называют естественными или спонтанными мутациями), либо искусственно вызываемым воз­действиям (такие мутации часто именуют индуцированными). Все виды жи­вых организмов (как растительных, так и животных) способны мутиро­вать, т.е. давать мутации. Это явление — внезапное возникновение новых, передающихся по наследству свойств — известно в биологии давно. Однако систематическое изучение мутаций было начато голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и сам термин «мутации».

Было обнаружено, что индуцированные мутации могут возникать в результате радиоактивного облучения организмов, а также могут быть вы­званы воздействием некоторых химических веществ. Отечественный уче­ный-микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867—1940) вместе со свои­ми коллегами и учениками обнаружил в 1925 году влияние радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский гене­тик Герман Джозеф Меллер (1890—1967), работавший в течение 1933-1937 годов в СССР, установил в 1927 году в опытах с дрозофилами сильное му­тагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем было понято, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает му­тации.

Достижения генетики (и биологии в целом) оказались столь значи­тельными, что было бы удивительно, если бы они никак не повлияли на дарвиновскую теорию эволюции. Развитие биологии и входящей в нее со­ставной частью генетики, во-первых, еще более укрепило дарвиновскую теорию эволюции живой природы и, во-вторых, дало более глубокое толко­вание (соответствующее достигнутым успехам в биологии) понятиям измен­чивости и наследственности, а следовательно, всему процессу эволюции живого мира.

Наиболее поразительные достижения биологии уже в первой полови­не XX века были связаны с изучением процессов, происходящих на молеку­лярном уровне. У. Астбери ввел в науку термин «молекулярная биология» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е годы XX века почти повсеместно господствовало мнение, что гены представляют собой особый тип белковых молекул, в 1944 году О. Двери, К. Маклеод и М. Маккарти установили, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а ДИК. Дальнейшие исследования показали, что ген является опре­деленной частью ДНК и носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК — носитель всей наследственной информации организма. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для дальнейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеиновой кислоте).

Расшифровку молекулы ДНК произвели в 1953 году Ф. Крик (Анг­лия) и Д. Уотсон (США). Им удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль.

Несмотря на молодость молекулярной биологии, успехи, достигнутые в этой области, ошеломляющи. За сравнительно короткий срок были ус­тановлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизве­дения и функционирования. Выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Была определена первичная структура многих транспортных РНК. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих вирусов, и разгаданы пути их биогене­за в клетке. Все эти успехи выдвинули биологию в ряды лидеров естество­знания XX века.

Кибернетика — результат интеграции научного знания. Кибернетика возникла в 40-х годах XX века «на стыке» ряда наук (физики, математики, биологии, некоторых технических и социально-экономических наук) и яви­лась следствием ускоряющегося процесса интеграции научного знания. Возрастание роли процессов управления в общественной практике первой поло­вины XX столетия, развитие военной техники и новых форм автоматизации производства привели к созданию особой научной дисциплины — киберне­тики.

К ее научно-техническим предпосылкам следует отнести развитие ра­диотехники и электроники, а также появление электронно-вычислительных машин. Возникнув в 40-х годах XX века, электронно-вычислительная техни­ка прошла в последующие десятилетия огромный путь своего развития и явилась технической базой кибернетики. Практика радиотехники послужила основой для создания такой важнейшей составной части кибернетики как теория информации.

В подготовке идей кибернетики важную роль сыграли статистическая физика (труды Л. Больцмана и Д. Гиббса в конце XIX в.) и теория вероятно­стей. В XX веке достижения этих научных направлений имели большое зна­чение в разработке задач управления и, особенно, в теории информации. В развитии последней важную роль сыграли работы отечественных ученых А.К. Колмогорова и А.Я. Хинчина.

Другим направлением прогресса физико-математических наук, форми­ровавшим теоретический фундамент кибернетики, явилась математическая логика, в рамках которой было, в частности, разработано учение об алгорит­ме.

Еще одна группа идей, подготовивших возникновение кибернетики, была связана с прогрессом биологических наук. Успехи в изучении высшей нервной деятельности животных и человека создали предпосылки для по­пыток технического моделирования некоторых психических процессов. Работы У. Мак-Каллока, В. Питтса и А. Розенблюта в начале 40-х годов XX века обосновывали, так сказать, нейрофизиологический аспект киберне­тики. Сложный комплекс социально-экономических условий, есте­ственнонаучных и технических достижений создал ту «питательную сре­ду», на базе которой успешно развивались работы, приведшие к формиро­ванию ряда исходных принципов кибернетики. После того как была вскрыта общность в функционировании биологических и ряда технических систем, стало возможным оформить все это в виде общей теории об управлении и связи в живых организмах и некоторых технических самоуправляемых уст­ройствах (в искусственно созданных из неживого субстрата системах с са­моорганизующимися процессами — типа автоматических вычислительных машин и самонастраивающихся автоматов). Это и было сделано американским математиком К. Винером, опубликовавшим в 1948 г. книгу «Киберне­тика, или управление и связь в животном и машине». Данная работа Вине­ра, а также известная книга фон Неймана и О. Маргенгитерна «Теория игр и оптимальное поведение» (1944 г.) оказались весьма продуктивными для раз­работки электронно-вычислительной техники.

Заметим, что при создании кибернетики ставилась более или менее ограниченная задача: объяснить принципы действия новой системы управ­ления (в которой автоматы выполняют функции, аналогичные мышлению человека) и теоретически обосновать закономерности функционирования этой системы. Но так как невозможно было обойтись без использования совершенно новых понятий, характеризующих важнейшие процессы в управлении технических и биологических систем (к ним относятся поня­тия информации, обратной связи, самоорганизации и др.), то первоначально поставленная задача вскоре утратила свою ограниченность. В результате была создана теория, охватывающая более обширную область знания: процессы управления в живых (биологических), неживых (технических) и социальных системах.

Кибернетика как одно из направлений неклассической науки сере­дины XX века «обеспечивала значительное расширение поля исследуемых объектов, открывая пути к освоению сложных саморегулирующихся сис­тем... Именно включение таких объектов в процесс научного исследования вызвало резкие перестройки в картинах реальности ведущих областей ес­тествознания. Процессы интеграции этих картин и развитие общенаучной картины мира стали осуществляться на базе представлений о природе как сложной динамической системе».

Новая (для середины XX века) интегративная научная дисциплина — кибернетика сыграла свою роль в развитии научной картины мира. Ее прин­ципы имели революционный характер, ибо отражали важные закономерно­сти объективного мира, касающиеся функционирования различных по своей природе самоуправляемых систем — независимо от вида и формы движения материи.