Некоторые проблемы современной биологии

Совр. Б. изобилует узловыми проблемами, решение к-рых может оказать революционизирующее влияние на естествознание в целом и прогресс человечества. Это мн. вопросы молекулярной Б. и генетики, физиологии и биохимии мышц, желез, нервной системы и органов чувств (память, возбуждение, торможение и др.); фото- и хемосинтез, энергетика и продуктивность природных сообществ и биосферы в целом; коренные философско-методологич. проблемы (форма и содержание, целостность и целесообразность, прогресс) и др. Более детально рассмотрены лишь нек-рые из них.

Строение и функции м а к р о м о л е к у л. Важные в биол. отношении макромолекулы обычно имеют полимерную структуру, т. е. состоят из мн. однородных, но не одинаковых мономеров. Так, белки образованы 20 видами аминокислот, нуклеиновые кислоты - 4 видами нуклеотидов, полисахариды состоят из моносахаридов. Последовательность мономеров в биополимерах наз. их первичной структурой. Установление первичной структуры - начальный этап изучения строения макромолекул. Уже определена первичная структура мн. белков, нек-рых видов РНК. Разработка методов определения последовательности нуклеотидов в длинных цепях РНК и, особенно, ДНК -важнейшая задача молекулярной Б. Цепочка биополимеров обычно свёрнута в спираль (вторичная структура); молекулы белков ещё и сложены определённым образом (третичная структура) и часто соединяются в макромолекулярные комплексы (четвертичная структура). Каким образом первичная структура белка определяет вторичную и третичную структуры, как третичная и четвертичная структуры белков-ферментов определяют их каталитич. активность и специфичность действия - ещё недостаточно выяснено. Молекулы белка присоединяются к мембранам, объединяются с липидами и нуклеиновыми к-тами в надмолекулярные структуры, образуя путём " самосборки" внутриклеточные компоненты. Методами рентгеноструктурного анализа установлена третичная структура нек-рых белков (напр., гемоглобина), исследовано функциональное строение мн. ферментов. Дальнейшее изучение структуры макромолекул и понимание того, как эта структура определяет их сложные и многообразные функции, -одна из ключевых проблем совр. Б. Регуляция функций к л е т к и. Характерные черты процессов, происходящих в живой системе, - их взаимная согласованность и зависимость от регуляторных механизмов, обеспечивающих поддержание относит, стабильности системы даже при меняющихся условиях среды. Регуляция внутриклеточных процессов молсет достигаться изменением набора и интенсивности синтеза ферментных и структурных белков, влиянием на ферментативную активность, изменением скорости транспорта веществ через оболочку клетки и др. биол. мембраны. Синтез белка зависит от синтеза молекул РНК, переносящих информацию с соответствующего гена -участка ДНК. Т. о., " включение" гена -начало синтеза на нём молекулы РНК, - одно из мест регуляции синтеза белка. Пока только для бактерий вскрыта одна из схем регуляции усвоения цитат, веществ из среды, достигаемая включением и выключением генов, определяющих синтез необходимых ферментов. Молекулярный механизм включения генов (в особенности у многоклеточных организмов) не выяснен, и это остаётся первоочередной задачей молекулярной Б. Скорость синтеза белка может, по-видимому, регулироваться и непосредственно на месте синтеза - на рибосомах. Иная, более оперативная система регуляции основана на изменении ферментативной активности, что достигается взаимодействием тех или иных веществ с молекулой фермента и обратимой модификацией её третичной структуры. Если фермент катализирует начальную реакцию в цепи хим. превращений, а вещество, подавляющее его активность, - конечный продукт этой цепи, то устанавливается система обратной связи, автоматически поддерживающая постоянную концентрацию конечного продукта. Скорость хим. процессов в клетке может зависеть и от темпа поступления в клетку, её ядро, в митохондрии соответствующих веществ или скорости их выведения, что определяется свойствами биол. мембран и ферментов. В связи с отсутствием полного представления о регуляции внутриклеточных процессов над этой проблемой работают мн. исследователи.

Индивидуальное развитие организмов. У организмов, размножающихся половым путём, жизнь каждой новой особи начинается с одной клетки - оплодотворённого яйца, к-рое многократно делится и образует множество клеток; в каждой из них находится ядро с полным набором хромосом, т. е. содержатся гены, ответственные за развитие всех признаков и свойств организма. Между тем пути развития клеток различны. Это означает, что в процессе развития каждой клетки в ней работают только те гены, функция к-рых необходима для развития данной ткани (органа). Выявление механизма " включения" генов в процессе клеточной дифференци-ровки - одна из осн. проблем Б. развития. Уже известны нек-рые факторы, определяющие такое включение (неоднородность цитоплазмы яйца, влияние одних эмбриональных тканей на др., действие гормонов и т. д.). Синтез белков осуществляется под контролем генов. Но свойства и признаки многоклеточного организма не сводятся к особенностям его белков; они определяются дифференцировкой клеток, различающихся по строению и функции, связям их друг с другом, по образованию разных органов и тканей. Важная и до сих пор не решённая проблема - выяснение механизма дифференцировки на стадии от синтеза белков до появления свойств клеток и их характерных перемещений, приводящих к формированию органов. Возможно, что главную роль в этом процесссе играют белки клеточных оболочек. Создание стройной теории онтогенеза, требующее решения проблемы интеграции дифференцирующихся тканей и органов в целостный организм, т. е. реализации наследственности, окажет революционизирующее действие на мн. разделы Б.

Историческое развитие организмов. Более чем за 100 лет, прошедших со времени появления книги Ч. Дарвина " Происхождение видов...", огромная сумма фактов подтвердила принципиальную правильность построенного им эволюц. учения. Однако мн. важные положения его ещё не разработаны. С эволюционно-генетич. точки зрения популяция может считаться элементарной единицей эволюционного процесса, а устойчивое изменение её наследств, особенностей - элементарным эволюц. явлением. Такой подход позволяет выделить осн. эволюц. факторы (мутационный процесс, изоляция, волны численности, естеств. отбор) и эволюц. материал (мутации). Ещё не ясно, действуют ли только эти факторы на макроэволюцион-ном уровне, т. е. " выше" видообразования, или в возникновении крупных групп организмов (родов, семейств, отрядов и т. д.) участвуют иные, пока неизвестные факторы и механизмы. Возможно, что все макроэволюц. явления сводимы к изменению на внутривидовом уровне (см. Микроэволюция). Решение проблемы специфич. факторов макроэволюции связано со вскрытием механизмов наблюдаемого иногда как бы направленного развития групп, что, возможно, зависит от существования " запретов", накладываемых строением и генетич. конституцией организма. Так, первоначально непринципиальное изменение, связанное с приобретением предками хордовых спинной струны - хорды, впоследствии определило разные пути развития крупных ветвей животного мира: 1) возникновение внутреннего скелета и централизованной нервной системы, развитие головного мозга с преобладанием условных рефлексов над безусловными у позвоночных; 2) возникновение наружного скелета и развитие нервной системы иного типа с преобладанием чрезвычайно сложных безусловнорефлекторных реакций у беспозвоночных. Исследование особенностей " запретов", механизмов их появления и исчезновения в ходе эволюции - важная задача, связанная с решением проблемы " канализации развития" и вскрытием закономерностей эволюции живой природы. Понятие " прогрессивное развитие", " прогресс" ныне расчленяется на прогресс морфологич., биологич., групповой, биогеоценотич. и неограниченный. Так, появление в биосфере Земли человека - существа, в к-ром, по образному выражению Ф. Энгельса, "...природа приходит к осознанию самой себя..." (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 20, с. 357), -результат неограниченного прогресса. Возникновение социальности в живой природе связано с появлением не только человеческого общества, но и сообществ многих насекомых, головоногих моллюсков, некоторых млекопитающих. Вскрытие сложных зависимостей между приобретением в процессе эволюции приспособлений принципиального характера (лежащих на пути неогранич. прогресса) или же частных приспособлений (ведущих к процветанию группы, но не освобождающих её от связей с прежней средой обитания), вскрытие закономерностей, вызывающих появление совершеннейших приспособлений в одних случаях и приводящих к успешному выживанию сравнительно примитивных организмов в других, - всё это важные задачи исследований обозримого будущего.

Особое место занимают проблемы вида и видообразования. Вид - качественно своеобразный этап развития живой природы, реально существующая совокупность особей, объединённых возможностью плодовитого скрещивания (составляющих генетически " закрытую" для особей др. видов систему). С этой точки зрения видообразование - переход генетически открытых систем (популяций) в генетически закрытые. Мн. стороны этого процесса ещё не ясны, что отчасти связано с недостаточной определённостью понятия " вид" в приложении к разным группам организмов. Это неизбежно сказывается на систематике и таксономии - отраслях Б., занятых классификацией и соподчинением видов (отсюда периодически разгорающиеся споры о " реальности" системы и филогении и т. п.). Теоретич. разработку проблем вида и видообразования стимулирует непрерывное пополнение методов систематики новыми подходами и приёмами (напр., биохимич., генетич., математич. и др.).

Происхождение жизни -одна из методологически важных проблем Б., к-рую не снимает ни маловероятное предположение о занесении жизни на Землю из др. миров (см. Биогенез, Панспермия), ни теории о постоянном возникновении жизни на нашей планете во все периоды её истории (см. Абиогенез). Науч. подход здесь состоит в том, чтобы выяснить, в каких условиях зарождалась жизнь на Земле (это произошло неск. млрд. лет назад), и попытаться моделировать процессы, к-рые при этом могли происходить, реконструируя экспериментально последовательные этапы возникновения жизни. Так, на основании данных о физ. и хим. состоянии атмосферы и поверхности Земли в ту эпоху получены теоретич. и экспериментальные доказательства возможности синтеза простейших углеводородов и более сложных органич. соединений - аминокислот и мононуклеотидов, что подтверждает принципиальную вероятность их полимеризации в короткие цепочки - пептиды и олигонуклеотиды. Однако следующий этап происхождения жизни пока не изучен. Существенным для теории было применение понятия естеств. отбора к органич. структурам, находящимся на грани живого и неживого. Естеств. отбор может играть конструктивную роль в эволюции только в применении к саморазмножающимся структурам, способным хранить и многократно воспроизводить содержащуюся в них информацию. Этим требованиям удовлетворяют только нуклеиновые к-ты (преим. ДНК), самокопирование к-рых может происходить лишь при соблюдении ряда условий (наличие мононуклеотидов, подвод энергии и присутствие ферментов, к-рые осуществляют полимеризацию - комплементарно к существующему полинуклеотиду, повторяя тем самым содержащуюся в нём информацию). Самокопирование др. хим. соединений и в иных, более простых условиях пока неизвестно. Осн. трудность теории, т. о., состоит в том, что для удвоения нуклеиновых к-т нужны ферментные белки, а для создания белков нужны нуклеиновые к-ты. После появления первичной саморазмножающейся системы её дальнейшую эволюцию представить уже менее сложно - тут начинают действовать уже открытые Дарвином принципы, которые определяют эволюцию более сложных организмов. Поскольку неизвестен механизм возникновения жизни на Земле, трудно оценить вероятность возникновения жизни во внеземных условиях. Исходя из астрономич. данных о множественности планетных систем во Вселенной и из достаточно высокой вероятности возникновения условий, совместимых с жизнью, мн. учёные допускают множественное возникновение жизни. Однако существует и иная точка зрения, что земная жизнь чрезвычайно редкое, практически уникальное явление в обозримом участке окружающей нас части Галактики (см. Астробиология, Экзобиология).

Биосфера и человечество. Быстрый рост населения земного шара ставит вопрос о границах биол. производительности биосферы Земли. Через 100-200 лет при сохранении совр. способов ведения земного х-ва и тех же темпов роста численности человечества почти половине людей не хватило бы не только пищи и воды, но и кислорода для дыхания. Вот почему в короткий срок, за время жизни 2-3 поколений людей признаётся необходимым, во-первых, организовать строгую охрану природы и ограничивать в разумных пределах мн. промыслы и прежде всего истребление лесов; во-вторых, приступить к обширным мероприятиям, направленным на резкое повышение биол. производительности земной биосферы и интенсификацию биол. круговоротов как в природных, так и в культурных биогеоценозах. Нормально функционирующая биосфера Земли не только снабжает человечество пищей и ценнейшим органич. сырьём, но и поддерживает в равновесном состоянии газовый состав атмосферы, растворы природных вод и круговорот воды на Земле. Т. о., количественный и качественный ущерб, наносимый человеком работе биосферы, не только снижает продукцию органич. вещества на Земле, но и нарушает хим. равновесие в атмосфере и природных водах. При осознании людьми масштабов опасности и разумном отношении к среде своего обитания - биосфере Земли - будущее выглядит иначе. Научная и пром. мощь людей уже достаточно велика для того, чтобы не только разрушать биосферу, но и производить мелиоративные, гидротехнич. и иные работы любого масштаба. Первичная биол. продуктивность Земли связана с использованием солнечной энергии, поглощаемой в ходе фотосинтеза, и энергией, получаемой посредством хемосинтеза первичными продуцентами. Если человечество перейдёт к повышению средней плотности зелёного покрова Земли (для чего имеются технич. возможности), то этим путём на энергетич. входе в биосферу биол. производительность Земли может быть резко, в 2-3 раза, повышена. Этого можно достичь, если в процессе мелиорации и увеличения плотности зелёного покрова повысить участие в нём видов зелёных растений с высоким " коэффициентом полезного действия" фотосинтеза. Для интродукции полезных видов в сообщества растений совершенно необходимо знание условий поддержания и нарушения биогеоценотич. равновесия, иначе возможны биол. катастрофы: хозяйственно опасные " вспышки" численности одних видов, катастрофич. снижение численности др. и т. д. Рационализируя биогеохимич. работу природных и культурных биогеоценозов, поставив на разумную основу охотничьи, зверобойные, рыбные, лесные и др. промыслы, а также введя в культуру из огромного запаса диких видов новые группы микроорганизмов, растений и животных, можно ещё в 2-3 раза повысить биол. производительность и полезную человеку биол. продуктивность биосферы. Огромные возможности открывает и селекция окультуренных микроорганизмов и растений. В ближайшем будущем, когда селекционеры смогут использовать достижения быстро развивающихся совр. молекулярной генетики и феногенетики, успехи этих исследований будут стимулированы развитием и использованием " экспериментальной" эволюции культурных растений, основанной на отдалённой гибридизации, создании полиплоидных форм, получении искусств, мутаций и т. п. Агротехнике также предстоит переход на новые формы, резко повышающие урожай (одно из реальных направлений - переход от монокультур к поликультурам). Наконец, люди ближайшего будущего должны будут научиться улавливать на выходах из биол. круговоротов не малоценные, мелкомолекулярные продукты конечной минерализации органич. остатков, а крупномолекулярное органич. вещество (типа сапропелей). Все эти пути и методы увеличения производительности биосферы лежат в пределах реального для науки и техники предвидимого будущего и наглядно иллюстрируют грандиозные потенциальные возможности развивающегося человеческого общества, с одной стороны, и значение биол. исследований самых разных масштабов и направлений для жизни человечества на Земле - с другой. Все преобразовательные мероприятия, к-рые человек должен проводить в биосфере, невозможны без знания богатства главных форм и их взаимоотношений, что предполагает необходимость инвентаризации животных, растений и микроорганизмов в разных районах Земли, ещё далеко не завершённой. Во мн. крупных группах организмов неизвестен даже качественный состав входящих в группу видов организмов. Развёртывание инвентаризации требует оживления и резкой интенсификации работ по систематике, полевой биологии (ботаника, зоология, микробиология) и биогеографии.

Важное практич. направление биол. исследований в этом плане - изучение среды обитания человека в широком смысле и организация на этой основе рациональных способов ведения нар. х-ва. Это направление исследований связано с охраной природы и ведётся в основном в биогеоценологич. аспекте. К проведению таких исследований, призванных повысить биол. продуктивность Земли и обеспечить оптимальные условия существования на нашей планете для всё более увеличивающегося численно человечества, привлечено внимание прогрессивных биологов всего мира - зоологов и ботаников, генетиков и экологов, физиологов и биохимиков и др.; их деятельность в этом направлении координируется Междунар. биологич. программой.