Методы познания в биологических науках

Биология в целом всегда была и все еще остается наименее «точной» областью естествознания. В биологии в гораздо меньшей степени, чем в физике и химии, применяются математические методы, а экспериментальные результаты ее не столь достоверны. Доля общих теорий, соображений и наблюдений в биологии относительно велика. Выводы ее поэтому менее доказательны и конкретны и в значительной мере зависят от общих воззрений, широты и глубины исследования того или иного материала, положенного в их основу.

Это обстоятельство, по-видимому, явилось одной из причин того, что именно в биологических науках гораздо больше, чем в других естественнонаучных областях, было дискуссий, в которые вовлекался очень широкий круг далеко не одних только специалистов. Многие основные положения биологии в значительной мере дискуссионны, сравнительно медленно конкретизируются и получают экспериментальные доказательства.

Поэтому значение методологии в разработке биологических проблем особенно велико. Недооценка методологии, а в еще большей мере ее неправильное применение и догматизм тормозят развитие биологической науки, вероятно, в большей мере, чем это касается других отраслей естествознания.

Биологическая наука также в большей степени, чем другие естественные науки, соприкасается с общественными проблемами, в связи с чем методология биологии в особенности связана с общественно-историческим развитием.

Исторически биология развивалась как описательная наука. Наиболее древние познания в биологии касались описательной ботаники и зоологии, вытекали из наблюдений над живой природой и приводили к общим, зачастую умозрительным выводам. Эксперимент проник в биологию значительно позднее и послужил быстрому развитию изучения функций организмов и органов, их химического состава и механизмов процессов жизнедеятельности. Экспериментальные методы особенно быстро и все возрастающими темпами развиваются в последнее время и теперь уже занимают преобладающее положение в биологии в целом.

Совсем недавно в биологии различали, с одной стороны, описательный и, с другой — экспериментальный методы, а биологические науки делили на «описательные» и «экспериментальные». Современная биология пользуется большим арсеналом разнообразных методов, как разработанных в ‘биологических экспериментах, так и заимствованных из других наук. Характерной чертой современной биологии является и то, что так называемые «описательные» ее разделы тоже широко применяют разнообразные экспериментальные методы и почти все направления биологии теснейшим образом связаны между собой и с другими областями естествознания, благодаря чему разделение биологических наук на описательные и экспериментальные постепенно сглаживается.

1. Живая материя и методы ее изучения

Определяя жизнь как форму существования белковых тел, Энгельс неоднократно отмечал, что жизнь как форма движения материи является наиболее сложной и включает в себя все низшие формы движения, свойственные неорганической природе. «…Организм — это движение таких тел, в которых одно от другого неотделимо. Ибо организм есть, несомненно, высшее единство, связывающее в себе в одно целое механику, физику и химию, так что эту троицу нельзя больше разделить»^[1]. Поэтому и методы биологии более многообразны, чем в других естественных науках. Современное развитие биологических наук в очень большой степени связано с развитием смежных областей и использованием их методических приемов. В последние десятилетия имело место особенно активное внедрение в биологию физики и химии, а также тесное ‘взаимодействие с многими другими областями науки, такими, например, как геология, психология, математика и др. Применение физических и химических методов часто приводило к новым открытиям и обусловливало переход на новый уровень исследований. Сочетание биологических методов с физическими и химическими, а также взаимодействие различных разделов биологии привели к появлению и развитию новых направлений и отраслей науки, возникших и развивающихся в области, пограничной со смежными науками. Для этих новых направлений характерно сочетание не только идей и объектов исследования, но и методических подходов, иногда приводящих к новым специальным методикам, вырабатывающимся на основе таких сочетаний.

Все эти особенности биологических наук вытекают из природы и особенностей живого и сложности организации той особой формы материи, способом существования которой является жизнь. Стремительное развитие биологических исследований в последнее время позволило вплотную подойти к механизму жизненных явлений и потребовало ‘особо тонких и точных методических приемов.

Таким образом, биология применяет весьма разнообразные методы исследования как в отношении получения информации от самого исследуемого объекта, так и в отношении ее обработки. Наблюдения, аналогии и сопоставления сочетаются здесь с тонкими экспериментами, математическим анализом и обработкой обширного материала, собранного в многочисленных экспериментах и наблюдениях. Именно поэтому в биологических науках особенно важно уделять большое внимание взаимоотношению общей методологии и фактического материала, а также рациональному сочетанию различных методических приемов и направлений.

Недооценка точных методов исследования и разработка биологических представлений в отрыве от физических и химических процессов, происходящих в организме, влекут к отставанию биологии, к потере ею экспериментальной основы. С другой стороны, ограничение одними физико-химическими подходами, при котором не учитывается специфика живого и характерные особенности изучаемого объекта, ведет к схематизации и механистическому сведению сложных биологических явлений к сравнительно узкому кругу физико-химических процессов, лежащих в их основе.

Методологические ошибки такого рода приводили к неправильным выводам, а иногда и к насаждению ошибочных представлений. Так, некоторые постулаты и положения, предложенные биологами без достаточного учета физических и химических свойств живой материи и квалифицированного применения точных методов исследования, привели к ряду неверных положений в микробиологии, генетике, теории развития и других областях биологии. С другой стороны, некоторые «открытия», сделанные физиками и химиками в области биологических полимеров и биологических процессов, оказались беспочвенными из-за незнания собственно биологических закономерностей или невнимания к ним.

Одной из важных задач планирования биологического исследования является выбор биологического объекта с учетом его специфических особенностей и закономерностей развития. Не менее важным для изучения биологических процессов и объектов является применение современных физических и химических подходов. Только правильное сочетание разносторонних методических подходов с учетом особенностей данной конкретной задачи и объекта обусловливает настоящий успех в прогрессе науки.

В биологии, пожалуй, больше, чем в любой другой из естественных наук, мы можем видеть диалектические взаимоотношения структуры и функции, части и целого, случайности и необходимости и многих других философских категорий. Весьма разносторонни и многообразны конкретные приемы исследования. Их особенно трудно дифференцировать, потому что они в значительной мере слились между собой, и именно их интеграция и слияние являются как стимулом, так и следствием прогресса биологической науки. Тем не менее не только в историческом развитии биологии, но и в современном ее состоянии полезно систематизировать методы исследования и рассмотреть отдельные их группы.

2. Описательные методы

С древних времен элементы биологических знаний появлялись у человека благодаря наблюдениям над живой природой. Объектами этих наблюдений были животные и растения, собственный организм человека. Постепенное накопление таких наблюдений привело к их систематизации. Еще в древности многочисленные наблюдения живой природы были блестяще систематизированы в трудах Аристотеля.

Важнейшие достижения биологии XVI—XVIII вв. опираются в основном на описательный метод. Таковы описания строения тела человека Везалием, система природы Линнея, открытие системы кровообращения и эмбриологические работы Гарвея и др. Однако уже эти работы включают в себя и элементы экспериментального подхода.

Два из трех великих открытий естествознания XIX в., отмеченных Энгельсом, а именно теория эволюции Дарвина и клеточная теория, являются продуктом обобщения многочисленных наблюдений. Эти открытия и их развитие представляют собой как бы венец описательного метода. В них не только систематизирован и обобщен весьма обширный фактический материал, но и проделана большая логическая работа при помощи исторического подхода и изучения мира живых существ в их индивидуальном и историческом развитии.

На примере эволюционной теории, или учения о развитии организмов, можно проследить, какую важную роль сыграла концепция развития для трактовки важнейших биологических процессов и закономерностей. Эволюционная теория основывается на огромном описательном материале. Исходя из концепции развития, он систематизирован главным образом при помощи поисков аналогий, сходств и различий, наблюдений над сообществами животных и растений. Экспериментальный метод здесь почти не находит места.

Клеточная теория является результатом гениального обобщения наблюдений, полученных с помощью микроскопа. Применяется уже физический прибор, но тем не менее материал носит главным образом описательный характер, а метод его обработки далек от использование физико-математических подходов.

Классическими биологическими науками являются зоология и ботаника. Описательный материал этих наук является основой наших знаний о многообразии животного и растительного мира и особенностях каждого биологического вида, разновидности или более крупных таксономических категорий. В настоящее время, однако, даже в таких разделах биологии, как эмбриология, зоология, ботаника, эволюционная теория, морфология, все больше применяются экспериментальные методы исследования, физический и химический подходы. Историческое развитие изучается не только на уровне организмов, но и на уровне клетки и даже биологических макромолекул^[2]. Экспериментальные методы биохимии и иммунологии широко применяются теперь для суждения о происхождении и родстве различных биологических видов. Математические приемы и физико-химические подходы играют все возрастающую роль в исследовании популяций, биоценозов, а также экологии и поведении животных и их сообществ.

Вместе с тем это не значит, что описательный метод потерял свое значение. Без тщательных наблюдений и знания особенностей биологического объекта невозможно никакое исследование в области биологии. Применяя самые современные физические методики, такие, как изотопный метод, электронная микроскопия или оптические методы физики, необходимо уделять большое внимание точному описанию объектов, наблюдению их, сравнениям и аналогиям. Тем не менее сопоставляя всю группу описательных и экспериментальных методов, нельзя не отметить, что экспериментальные методы заняли главное место в биологических науках и все больше внедряются в те области биологии, в которых они прежде не применялись вовсе.

3. Экспериментальные методы

Биологические знания древности наиболее полно обобщены Аристотелем^[3]. Аристотель не только наблюдал п пристально изучал природу, но и вскрывал животных. Наряду со многими правильными Положениями у Аристотеля имеется немало утверждений, не соответствующих действительности. Однако даже представления Аристотеля о самозарождении мышей и лягушек были прогрессивными в то время, когда был неизвестен мир микроорганизмов, поскольку они противостояли религиозным догмам о создании творцом животных и растений. Различая и живых организмах «душу» и «тело», Аристотель понимал под «энтелехией» саму сущность, природу качественно определенного тела, неотъемлемую от него и обусловливающую закономерности его развития и жизнедеятельности. Таким образом, энтелехия Аристотеля не имеет ничего общего с христианским представлением о «душе» или «жизненной силой» виталистов, рассматриваемых как «кормчий» тела, отделимый от него.

Философия Аристотеля, однако, была извращена христианской церковью, чему и сам Аристотель давал повод своим представлением об активной форме и пассивной материи, телеологическим характером своего учения о неживой природе. Вследствие отождествления учения Аристотеля об энтелехии с христианским представлением о душе и догматизации биологических представлений древности в этом извращенном виде оно сыграло реакционную роль в развитии науки.

Достижения биологии, даже основанные на описаниях и их анализе, стали в резкое противоречие с религиозными догмами и виталистическими представлениями о неизменности биологических видов и о «жизненной силе».

Если у древнегреческих философов мы находим лишь общие рассуждения, которые могли бы лечь в основу материалистических представлений в науке о жизни (Гераклит, Демокрит, Анаксагор, Эмпедокл), то в эпоху Возрождения появляются более глубокие и систематические материалистические концепции в биологической и медицинской науках.

Характерно, что первые подходы такого рода, основанные на эксперименте, т. е. «испытании природы», были проникнуты механистическим материализмом и метафизическими представлениями, противопоставлявшимися в какой-то мере идее развития. Пожалуй, наиболее ярким представителем такой точки зрения является Декарт Являясь дуалистом и считая, что всему живому присуща и душа и тело, Декарт отделял нематериальную душу от материального тела. Он рассматривал организм животных и человека как своего рода машину, в которой органы, сосуды, жидкости и т. п. играют роль рычагов, трубопроводов, топлива и т. п.^[4] Организм, по Декарту, строго подчиняется законам механики и физики. В нем все детерминировано. Декарт особенно подчеркивает взаимодействие частей организма, соединяющее его в общую систему.

Эти воззрения, весьма прогрессивные для того времени, стимулировали экспериментальные исследования биологических объектов. Они были тогда единственной опорой против витализма и обусловливали прогресс науки. Вместе с тем, однако, они явились базой, на основе которой впоследствии развились односторонние представления о чисто физико-химической природе всех жизненных явлений и уподоблении организма машине.

Большую роль в зарождении и развитии экспериментального метода сыграли перекликавшиеся с взглядами Декарта работы и воззрения я трохимиков Парацельса, Ван Гельмонта и Де ле Боэ Сильвиуса. Впоследствии в еще большей мере его стимулировали материалистические взгляды французских энциклопедистов, в особенности Дидро и Ламеттри.

В XVII—XIX вв. всю биологию можно было грубо разделить на морфологию (учение о форме) и физиологию (учение о функции). В недрах физиологии уже в то время появляются зачатки наук, которые сформировались значительно позже, например, биохимии или биофизики.

Развитие морфологии в особенности выразилось в блестящих работах Биша. Учение Биша о тканях далее переросло в самостоятельную науку, гистологию, и сыграло важнейшую роль в истории биологии. Тем не менее его теоретические взгляды носили виталистический характер.

Ряд важных открытий XIX в. в биологии и прежде всего в физиологии обязан экспериментальному методу и позволил представить себе механизм многих физиологических явлений. Экспериментирование на животных — вивисекция — стало важнейшим методом физиологии. Именно экспериментальный метод позволил получить столь важные сведения, как передача нервами чувствующих и двигательных импульсов и определенное расположение чувствительных и двигательных корешков в -спинном мозге (Мажанди) или образование гликогена в печени и нервная регуляция содержания сахара в крови, сосудо-двигательные рефлексы (Клод Бернар).

Уже тогда большую -роль сыграло применение физики и отчасти химии. Благодаря физическим методам, в частности использованию учения об электричестве, родилась новая область — электрофизиология, разработанная главным образом Дюбуа-Реймоном и Герингом.

Физические методы широко применялись И. М. Сеченовым, который придавал огромное значение физико-химической основе жизненных процессов. Материалистическое изучение жизненных явлений позволило Сеченову рассматривать психическую деятельность не как проявление какой-то существующей вне материи души, а как функцию мыслящей материи — мозга. Сеченов первый глубоко обосновал рефлекторную деятельность нервной системы^[5].

Важнейшие сведения о работе пищеварительных желез и их -регуляции -нервной системой были получены И. П. Павловым^[6] и развивались далее в учение об условных рефлексах. Работы И. П. Павлова сыграли особенно большую роль в понимании функций центральной нервной системы и экспериментально обосновали материалистическую теорию психической деятельности^[7].

Дальнейшее развитие тонких физиологических методов, в которых методика условных рефлексов сочетается с записью токов действия, позволило локализовать многие функции в коре головного мозга и исследовать физические проявления деятельности -нервной системы и других тканей и органов.

Большие успехи в экспериментальном изучении биологических объектов в XIX в. способствовали утверждению в науке материализма. Хотя в наиболее чистой форме представления о «человеке-машине» пропагандиро506

вались в эту эпоху так называемыми «вульгарными материалистами» — Бюхнером, Фогтом и Молешотом, эти представления сыграли большую роль в борьбе с религиозными догмами и с витализмом и способствовали внедрению экспериментальных исследований.

Однако всю сложность жизненных явлений невозможно объяснить с помощью только лишь физических и химических законов. В значительной мере поэтому уже в XIX в. возникает протест против грубого механицизма. Однако протест этот идет главным образом по линии идеализма, наиболее ярко представленного в виталистическом учении Ганса Дриша. Выступая против механистического объяснения функций организма, неовитализм по существу отвергает позитивную науку, утверждая, что жизненная сила, существо жизни недосягаемо для физических и химических методов и находится вне пределов познания человека.

Блестящим разрешением этого противоречия явился диалектический материализм Маркса и Энгельса. В бессмертном труде Энгельса «Анти-Дюринг» проведен глубокий анализ всего естествознания того времени с позиций диалектического материализма. Труды Энгельса являются ярким примером того, как огромный экспериментальный материал, добытый работами исследователей, придерживавшихся различных взглядов, оживает при применении диалектического метода и позволяет сделать важнейшие выводы.

И в настоящее время, хотя все естествознание, и биология в том числе, находится на неизмеримо более высоком уровне, чем во времена Энгельса, основные положения Энгельса остаются в силе и их творческое использование играет огромную роль в прогрессе современной науки.

Большие успехи науки, а также формулировка трех великих открытий естествознания (закон сохранения энергии, эволюционная теория, клеточная теория) поставили в XIX в. всю биологию на новый уровень. В конце XIX в. появляются не только новые биологические направления, но и формируются как самостоятельные науки: биохимия, микробиология, биофизика, генетика, экспериментальная эмбриология, а затем и цитология.

Современная биохимия своими корнями уходит в ятрохимию, в первые эксперименты Ван-Гельмонта и опыты Лавуазье, показавшие, что животный организм потребляет кислород и выделяет углекислоту. В дальнейшем изучение химической природы и структуры многих веществ, встречаемых в организме, послужило основой исследования их превращений в живых организмах. Гениальные открытия Пастера — обнаружение оптической изомерии, исследования брожения, открытие роли микроорганизмов как болезнетворных агентов, положили основу новой науки — микробиологии.

4. Некоторые проблемы развития современной биологии

В XX в., в особенности во второй его половине, значение физических и химических методов в биологическом эксперименте неизмеримо возрастает и по существу играет главную роль в том новом этапе биологической науки и тех новых горизонтах, которые открылись в последнее время.

Уже в первой половине XX в. биохимия достигает большого развития. Выяснен не только общий характер химических превращений в организме, но в деталях изучены отдельные реакции и промежуточные продукты сложных процессов брожения и гликолиза, окисления и катаболизма белков, жиров и углеводов. Изучено химическое строение почти всех витаминов и многих гормонов, в значительной мере исследован механизм действия биологических катализаторов — ферментов; найдены первые подходы к выяснению структуры и биосинтеза биологических полимеров, лежащих в основе живой материи, — белков и нуклеиновых кислот. В середине XX в. происходит глубокое проникновение биохимии во все области биологии и медицины, связанное с исследованием химических основ и механизмов важнейших биологических и патологических процессов.

В настоящее время выделился ряд новых отраслей биологической науки, тесно соприкасающихся с физикой и химией. Эти отрасли еще недавно являлись разделами биохимии и лишь в самые последние годы сформировались или формируются в самостоятельные области исследования.

Среди них прежде всего надо упомянуть биофизику, в которой особое внимание уделяется физическим методам исследования. Биофизика только формируется как наука, однако бурное развитие физики ставит все более сложные вопросы перед биологией, и такие проблемы, как изучение действия ионизирующей радиации на организм, клетки и ткани, относятся теперь к наиболее актуальным. Эти вопросы выделились даже в самостоятельную область — радиобиологию. В основе ее лежит физика и биохимия, поскольку механизм радиационных повреждений связан с молекулярными изменениями химических веществ, находящихся в организме, прежде всего биологических полимеров, нуклеиновых кислот и белков. Предметом биофизики является и ряд вопросов электрофизиологии, а также механизмы двигательной, электрической и оптической активности живой материи.

Современная генетика немыслима не только без применения физических и химических методов, но и без математического анализа экспериментальных данных. Даже «классические» описательные области биологии — экология, сравнительная морфология и т. п. пользуются теперь физическими и химическими методами.

Появление новых методов исследования, ставших возможными благодаря успехам физики и химии, — электронной микроскопии, ультрацентрифугирования, спектрофотометрии, хроматографии, применения изотопов в биологических исследованиях и т. п. — создало новый этап в биологии, открыло новые горизонты всей биологической науке и позволило исследовать биологические явления не только на уровне организма, тканей и клеток, но и на уровне структур и ультраструктур клетки и макромолекул. Именно исследование на молекулярном уровне и уровне ультраструктур вплотную привело биологию к изучению самых интимных механизмов жизнедеятельности, позволило найти подходы к исследованию механизмов тех процессов, которые лежат в основе наследственности, роста и развития.

Вероятно, не случайно, что наиболее прогрессивно развиваются те области, «которые возникли на границе смежных дисциплин и направлений, и именно в этих областях открываются наиболее важные новые факты и появляются их обобщения. Это явление характеризует собой то, что при глубокой дифференциации наук, в частности биологических, все более наблюдается и противоположное явление, а именно интеграция науки.

Узкие области, достигая относительного совершенства, черпают новые силы, соединяясь между собой и порождая новое направление на стыке двух или нескольких дисциплин.

Сама дифференциация науки, вызываемая ее (развитием и накоплением множества фактов, порождает интеграцию науки, ибо, замыкаясь в круг узких вопросов, специальные области изживают себя и не могут развиваться далее, не взаимодействуя со смежными дисциплинами. Пожалуй, это единство дифференциации и интеграции научных дисциплин ярко демонстрирует диалектический путь развития науки, в котором проявляются диалектические законы борьбы и единства противоположностей и отрицания отрицания.

Мы остановимся лишь на некоторых, как нам кажется, наиболее важных, интенсивно развивающихся проблемах современной биологии. Для всех них характерно сочетание различных методов и направлений, явившееся стимулом их бурного развития.

Огромные успехи в последнее время достигнуты в изучении тонкой структуры клетки и функций ее ультраструктурных образований. Цитология из описательной морфологической дисциплины на наших глазах превратилась в экспериментальную науку, центр внимания которой сосредоточен на функции и взаимодействии ультраструктурных компонентов и органелл клетки. В своем существе эти функции в основном физико-химические и биохимические. Характерно, что толчком к развитию этой области явилось сочетание методов электронной микроскопии и гистохимических тестов с фракционированием гомогенатов тканей методом дифференциального центрифугирования. Именно сопоставление химического анализа фракций гомогенатов с электронной микроскопией позволило изолировать и четко определить состав и функции клеточных органелл, ядра, митохондрий, рибосом.

Прогресс этого направления позволяет теперь изолировать ультраструктуры названных органелл и доводить исследование до молекулярного уровня. Крупные биологические макромолекулы можно различать в электронном микроскопе. Здесь исследование морфологических образований в клетке смыкается с физико-химическим изучением макромолекул. На этом направлении удалось не только осуществить решающий прогресс в цитологии, но и открыть важные закономерности биохимических процессов, которые не поддавались изучению в грубых тканевых препаратах. Получение изолированных структур, осуществляющих определенную функцию, — митохондрий (окислительные процессы), хроматина клеточного ядра (генетический аппарат), рибосом и полирибосом (биосинтез белка) — позволило на этих изолированных структурах детально изучить соответствующие биохимические процессы.

Большие успехи в изучении клеточных структур, в особенности клеточного ядра, тесно связаны с современными достижениями генетики. Получение изолированного хроматина и хромосом и других ядерных структур, их тщательное исследование наряду с экспериментами по наследственности, в особенности на вирусах и микроорганизмах, дало возможность вплотную подойти к выяснению материальной структуры гена и механизмов передачи и проявления наследственных признаков. Здесь мы опять видим соединение генетических методов и их математической обработки с методами биохимии и цитологии, что привело к новому уровню исследования генетических проблем, к ультраструктурной и молекулярной генетике.

Изучение тонкой структуры гена показало, что уникальная последовательность нуклеотидов в молекулах нуклеиновой кислоты обусловливает запись информации, воплощающейся в определенных наследственных признаках.

Лишь в последние 10—15 лет выяснены биохимические механизмы процессов биологического синтеза белков и нуклеиновых кислот; изучена роль нуклеиновых кислот в этих процессах и получены экспериментальные обоснования представлений о записи и передаче биологической информации при помощи определенной уникальной последовательности мономеров — нуклеотидов в полинуклеотидных цепях, составляющих макромолекулы нуклеиновых кислот. Показано, что определенные триплеты этих нуклеотидов кодируют включение индивидуальных аминокислот в белковую молекулу в определенных местах. Благодаря этому передающаяся по наследству информация реализуется и воплощается в индивидуальные уникальные структуры белковых молекул, лежащие в Основе особенностей биологического рода, вида и индивидуума.

Осуществление этих великих открытий XX в. стало возможным благодаря слиянию опыта, идей и методов биологических наук с опытом, идеями и методами наук физических и химических. Так называемая молекулярная генетика непосредственно соприкасается с более широкой областью молекулярной биологии, которая стала теперь ведущим направлением в биологии в целом.

Молекулярная биология является продуктом не столько дифференциации науки и разделения ее на все большее число областей с ограниченными задачами, сколько показателем интеграции науки, слияния самых современных и быстро развивающихся направлений и теснейшего их взаимодействия. Действительно, в молекулярной биологии слились новейшие достижения физической химии с быстро развивающимися областями биологии — биохимией, биофизикой, генетикой, цитологией и эмбриологией.

Физико-химическое изучение материального субстрата наследственности связано с огромными успехами в изучении биологических полимеров, их состава, структуры и функций. И в этих исследованиях решающую роль сыграло соединение методов физики и химии, без которых биология была бы безоружна, с биологическими представлениями, без которых физика и химия были бы слепы.

При этом нужно иметь в виду, что не только сложные биологические явления нельзя понять, исходя лишь из свойств химических веществ, образующих живую материю, но и то, что сами эти вещества, прежде всего биологические полимеры, нуклеиновые кислоты и белки, обнаруживают новые свойства, ранее неизвестные физике и химии. Исключительная чувствительность белков и нуклеиновых кислот к разнообразным воздействиям, изменение их структуры и конформации при незначительных колебаниях в составе окружающей среды — все это не находит аналогии в физике и химии веществ необиологической природы. Высокая реакционная способность белков, присутствие в них многообразных функциональных химических групп, их реакции, связанные с пространственным расположением и взаимоотношением этих групп, являются необычными для химиков, привыкших к изучению даже сложных соединений. Даже физико-химические свойства биологических полимеров столь уникальны, что требуют новых приемов исследования и поднимают на новый уровень и собственно физику и химию.

Наконец, биологическая информация, заключающаяся в биологических полимерах, открывает особые проблемы. Как и обмен веществ, информация встречается и в неорганической природе, однако в живой материи она достигает особого развития и является необходимым условием ее существования. Таким образом, было открыто новое, столь же общее, как биологический обмен веществ, свойство живой материи, заключающееся в хранении, передаче и реализации биологической информации. Это позволило в значительной мере применить к биологии, с учетом всех ее особенностей, понятия статистической физики и кибернетики о порядке и энтропии. При изучении биологических явлений на молекулярном уровне происходит, или, вернее, должно происходить, не только слияние методов физики и химии с биологическими методами, но и разработка новых методических подходов применительно к новым задачам и новым объектам.

Наконец, важнейшим направлением, развитие которого только начинается в настоящее время, являются проблемы регуляции обмена веществ, роста и развития.

В основе механизмов кардинальных биологических процессов лежит биологический синтез белков. В настоящее время изучены многие этапы биосинтеза бельков. Удается моделировать этот процесс путем создания искусственной системы, содержащей рибосомы, нуклеиновые кислоты и другие вещества, необходимые для его осуществления. Однако важнейший вопрос, который пока наименее изучен, заключается в том, как и почем}’ в определенный момент и в определенной последовательности синтезируются те или иные специфические белки. По существу именно этот вопрос определяет выяснение основ механизмов роста и эмбрионального развития, регенерации и регуляции многих жизненных процессов.

Опять-таки сочетание методов генетики микроорганизмов и биохимического исследования позволило Жакобу и Моно разработать ставшую очень известной схему регуляции биосинтеза белков, в частности ферментов, путем репрессии генов и дерепрессии их^[8]. Эта схема отнюдь не исчерпывает клеточных механизмов регуляции биосинтеза белков, и в настоящее время открываются все новые способы внутриклеточной регуляций синтетических и других процессов. Если раньше мы знали только о регуляции на уровне организма (гормоны, нервная система), то теперь очень многое стало известно и о регуляции обмена веществ в самой клетке и пролит свет на то, каким образом микроорганизмы быстро приспосабливаются к меняющейся внешней среде или клетки микроорганизма — к изменению состава крови, в свою очередь обусловливаемому рядом сложных взаимодействий как внутри организма, так и между организмом и средой.

Вопросы внутриклеточной регуляции тесню связаны с кибернетическим понятием программирования и обратной связи. Правильное сочетание этих подходов, с учетом всего экспериментального материала в этой области, сулит огромные перспективы.

5. Математические методы и математическое моделирование биологических процессов

По мере совершенствования любой естественной науки в нее все более внедряются математические методы. Чем меньше факторов и составляющих приходится принимать во внимание, тем проще их математическая обработка. Поэтому применение математики в биологии не получило еще такого развития, как, например, в физике или химии.

Большую роль в развитии биологии, однако, сыграли статистические методы. Во многих случаях количественные закономерности в биологии могут быть выявлены лишь путем применения математической статистики к обработке измерений, наблюдений или экспериментов. Относительно большие биологические колебания в тех или иных показателях часто требуют статистических методов для того, чтобы отличить закономерности совокупностей организмов, органов, клеток и т. п. ют индивидуальных особенностей или данных, связанных со случайным подбором объектов.

Многие важнейшие достижения биологии — материалистическое учение об эволюции, открытие законов наследственности и др. — в значительной мере обязаны вначале стихийному, а затем и сознательному применению статистического метода; в настоящее же время обработке методами математической статистики подвергаются результаты, вероятно, большинства исследований в разных отраслях биологии. Среди математических методов в биологии статистическая обработка нашла наиболее широкое применение и зачастую необходима для того, чтобы сделать вывод из серии наблюдений или экспериментов. Использование математической статистики, как и других математических методов, должно сочетаться с разумным анализом источников ошибок, в особенности систематического характера, при накоплении тех или иных данных.

Более новым, но не получившим пока столь же широкого распространения является математическое моделирование биологических процессов. Поскольку связи разнообразных составляющих в живой природе весьма разнотипны, а структурные взаимоотношения играют несравненно большую роль, чем в других естественных науках, применение математических подходов в биологии особенно сложно. В ряде случаев специфика биологических процессов требует развития принципиально новых разделов математики, приспособленных для построения математических моделей биологических явлений и для описания и трактовки проблем биологии.

Однако абсолютизировать математическую обработку биологических данных столь же неправильно, как и недооценивать ее. Придавая важное значение математической интерпретации количественных данных биологии, нельзя забывать об основных специфических чертах биологической формы движения и особенностях обрабатываемого материала. Только при учете этих условий математическое моделирование окажется нужным и полезным, и критерием успеха его явится общность применения и, вероятно, в особенности возможность предсказания хода процесса, которое проверит практика.

Математическое моделирование в биологии можно грубо разделить на два типа: моделирование «классических» биологических проблем м моделирование физико-химических механизмов биологических процессов. Все вышесказанное имеет силу для обеих сторон применения математики.

Известен ряд попыток применения математических методов для моделирования биологических сообществ. Такими являются математическая теория борьбы за существование, разработанная Вольтерра, применение математики для теории биоценозов в работах И. А. Полетаева, использование математических приемов для анализа закономерностей роста организмов и сообществ (Г. Ф. Гаузе и В. В. Алпатов)^[9]. Теория эволюции в настоящее время в значительной мере проникнута математическими представлениями. Эти математические подходы в значительной мере помогли разобраться во многих общих закономерностях сложнейших биологических процессов, однако они еще далеки от точности математического описания, от классических математических уравнений механики и теоретической физики.

Одним из наиболее ярких примеров глубокого внедрения математики в биологию является развитие генетики. Описание законов наследственности, основанное на представлении о рекомбинациях хромосом, их участков и генов, требует математических расчетов и применения современных статистических методов. Математические выводы и методы биометрии играют огромную роль в популяционной генетике и поддаются проверке при обработке большого материала. Статистические модели рекомбинаций генов позволяют математически рассчитать вероятность получения различных сочетаний их и, соответственно, разных генотипов. В настоящее время развивается применение математических методов в генетике на молекулярном уровне. Вопросы биологического кодирования, передачи и воплощения биологической информации, регулирования биологических процессов и различных механизмов приспособления к окружающей среде и т. п. тесно связаны с основными понятиями кибернетики и развитием новых направлений математического анализа. Моделирование в этих вопросах нередко требует рассмотрения столь многочисленных вариантов, что только электронные машины в состоянии обработать такого рода материал и выдать нужную информацию. Пожалуй, в учении о наследственности на уровне молекулярной биологии применение математических методов сыграло особенно большую роль и явилось важнейшим фактором прогресса этого направления.

6. Системно-структурный подход к биологическим явлениям

Рассматривая единство организма и среды, клетки и органа, биохимического процесса и клетки, клетки и ее ультраструктур и т. п., мы встречаемся с диалектической проблемой части и целого.

Важнейшую роль в биологии играют взаимоотношения структуры и функции и, как следует из вышеизложенного, именно сочетание исследования структуры и функции с применением разносторонних методов позволило достигнуть наибольших успехов в быстро развивающихся направлениях современной биологии.

Биологические объекты, однако, настолько сложны, что охватить в них все взаимодействия и взаимоотношения вряд ли возможно. В этом отношении существенную роль играет принцип системной организованности, упорядоченности биологических объектов, развившийся далее в так называемый «системный» подход к жизненным явлениям. Системно-структурный подход рассматривает природные объекты одновременно и аналитически, как сумму составляющих частей, и синтетически, как единое целое. Между различными объектами существует множество взаимосвязей и соподчинений, в раскрытии которых и познается изучаемый объект. Разделяя природные объекты (системы) на соподчиненные множества — более мелкие системы, доступные анализу, вскрывая внутренние их связи и взаимосвязи между собой и с другими природными объектами, системно-структурный подход позволяет ближе подойти к изучению сложных биологических систем.

Одним из выражений такого подхода является изучение жизни на разных «уровнях» — молекул, клеточных структур, клеток, тканей, органов, организма, сообществ и т. д. Именно то, что современная биология подошла к молекулярному уровню жизненных процессов и преодолела грань между морфологической структурой и химическим строением макромолекул биополимеров и их комплексов, обусловило решающие успехи последних лет в познании механизмов биологических процессов. Делались закономерные попытки уже теперь распространить «уровни» до субмолекулярных^[10], а также рассматривать различные структуры и «суперструктуры»^[11].

Важнейшим вопросом, рассматриваемым системно-структурным подходом, является проблема организации (упорядоченности) биологических систем. Предложено даже учитывать эту упорядоченность количественно на основании числа связей в системе, а также различать упорядоченность энергии и упорядоченность структур^[12]. Такой количественный подход позволяет применить к биологическим системам и структурам, соответственно, термодинамические и кибернетические понятия энтропии и негэнтропии.

Весьма интересны в этой связи современные экспериментальные данные о саморегуляции биологических систем. В настоящее время выявлен ряд механизмов саморегуляции процессов обмена веществ не только на уровне макроорганизмов, но также в бактериальных и в других клетках. Так, уже теперь можно четко различать регуляцию через посредство биосинтеза белков на уровне генетического аппарата клетки и более быструю, практически моментальную регуляцию путем ретроингибирования ферментов в ответ на появление того или иного субстрата (метаболита)^[13]. Биологические структуры с удивительной точностью и скоростью реагируют на внешние воздействия, перестраивая свой обмен веществ и приспосабливаясь к меняющейся внешней или внутренней среде.

Еще более поразительна недавно обнаруженная способность некоторых биологических структур к самоорганизации и самосборке. Так, если расщепить вирус табачной мозаики на молекулу нуклеиновой кислоты, находящуюся в-сердцевине вирусной частицы, и большое число белковых молекул, образующих трубчатую структуру вокруг нуклеиновой кислоты, то можно получить отдельно раствор вирусного белка и вирусной нуклеиновой кислоты, в которых молекулы каждого компонента не организованы в структуры. Однако если теперь слить вместе эти растворы, то молекулы сами организуются в сложную структуру вирусной частицы, которая обладает биологическими свойствами природного вируса. Аналогичные данные получены недавно и в отношении рибосом — рибонуклеопротеидных гранул, являющихся местами синтеза белков. Белок и нуклеиновая кислота рибосом сами соединяются между собой и образуют надмолекулярную структуру рибонуклеопротеидной гранулы — рибосомы, являющейся клеточной ультраструктурой. Есть немало оснований полагать, что принцип самосборки биологических структур имеет общее значение и широко распространен в природе.

Названные примеры отнюдь не исчерпывают многообразных связей и видов упорядоченности биологических структур. Тем не менее они иллюстрируют плодотворность системно-структурного подхода и соответствие его современным быстро развивающимся направлениям экспериментальной биологии.

7. Практика как критерий истины

Важнейшим требованием материалистической диалектики является сочетание теории и практики, вскрытие их единства и внутренних противоречий. В естественных науках это выражается, в частности, во взаимоотношении гипотез и объективных фактов. Гипотеза всегда в какой-то мере субъективна, и чрезмерное увлечение гипотезой поэтому приводит к игнорированию фактов. С другой стороны, одни только факты без руководящей идеи превращают исследование в голый эмпиризм, ограничивающий кругозор исследователя и мешающий подняться до общих закономерностей.

В биологическом научном исследовании особенно важно правильно сочетать теорию и эксперимент. При огромном разнообразии исследовательских подходов появление новой методики стимулирует развитие биологии и открывает перед ней новые горизонты. Достаточно назвать такие методы, широко проникшие теперь в биологию и медицину, как использование изотопных индикаторов в биологических исследованиях, электронную микроскопию, ультрацентрифугирование, электрофорез и ряд оптических и электрооптических методик. Именно правильное сочетание этих методов с плодотворной гипотезой, а где возможно, и с математическим моделированием, оценка их возможностей резко повышает эффективность научного исследования.

Значение биологии для развития производительных сил общества вое возрастает, и если биологическая наука пока еще дала для народно-хозяйственной практики меньше, чем, например, физика, то мы вправе ожидать от нее в скором будущем не менее важных практических результатов. Среди отраслей биологии генетика и селекция имеют огромное значение для отбора и выведения организмов, наиболее эффективных для тех или иных целей. Это касается и растениеводства, и животноводства, и микроорганизмов, используемых в производстве антибиотиков, ферментов, аминокислот и т. д. В настоящее время развились целые отрасли промышленности, производящие ферменты, витамины, гормоны, антибиотики и ряд других важнейших продуктов, без которых немыслима современная цивилизация. В основе этих производств лежат биохимические процессы, осуществляемые микроорганизмами и разработанные благодаря успехам современной микробиологии, биохимии и генетики.

Исследование механизмов роста и развития и наука о питании чрезвычайно важны для рационального питания человека, животноводства и откорма сельскохозяйственных животных, для управления развитием растений и получения высоких урожаев.

Не меньшее значение имеет биология и для медицины. Такие важные успехи, как раскрытие и изучение химической природы и биологической роли антибиотиков, витаминов и гормонов, позволили наладить широкое производство этих веществ. Применение антибиотиков, витаминов и гормонов резко увеличило продолжительность жизни населения, понизило заболеваемость и повысило общий уровень здоровья. Новые направления современной биологии, изучающие молекулярные основы биологических процессов, сулят быть особенно важными для медицины. Эти исследования позволят выявить патогенез злокачественных новообразований, радиационных поражений и вирусных болезней, тесно связанный, как теперь уже ясно, с нарушением нормальных механизмов регуляции жизнедеятельности на молекулярном уровне.

Современная биология находит все больше контактов с техникой. Невиданное развитие электроники, радиотехники, средств сообщения, поразительные достижения в освоении космического пространства, в производстве новых материалов — все это ставит обширные задачи и перед биологией. Необходимо изучить поведение и реакции организма в новых условиях среды, осваиваемых или создаваемых человеком.

Получает большое развитие такая область, уже формирующаяся в самостоятельную науку, как бионика, в которой моделирование жизненных процессов сочетается с использованием биологических открытий в технике. Выработанные в процессе эволюции приспособления организмов и сложные механизмы обмена веществ и его регуляции могут успешно использоваться для решения ряда технических проблем. Механизмы, которые создала природа, во многих случаях оказываются более совершенными, чем механизмы, созданные человеком, и, будучи перенесенными в технику, повышают эффективность ее устройств.

Применение биологических знаний в технике позволяет моделировать биологические процессы. В какой-то мере «моделирование» биологических структур развивается и из самой техники. Так моделирование служит успехам и техники и биологии. Связь с техникой способствует проникновению в биологию математических методов, и биология становится все более «точной» наукой.

Широкое использование результатов биологических опытов и перенос их в практику является главным критерием правильности познания биологических закономерностей. Общее положение о том, что практика является критерием истины, вполне применимо и к биологии. Однако если практика очень быстро определяет правильность или неправильность тех или иных представлений в физике и химии, то в биологии для этого требуется длительное время, а практическая оценка выводов биологической науки в сельском хозяйстве и медицине гораздо сложнее, чем в технике.

8. Значение методологии для биологической науки

Развитие науки в последнее время все больше демонстрирует как значение философии для исследования природы, так и влияние естествознания на развитие философии. Это обстоятельство сознается широким кругом естествоиспытателей, и биологов в том числе.

Вполне естественно, что огромные успехи и важные открытия в науке оказывают большое влияние на умы специалистов и всех людей вообще. В результате раскрытия тех или иных физико-химических механизмов жизненных процессов, таких впечатляющих достижений, как, например, расшифровка генетического кода или выяснение механизма биосинтеза белков, нередко создается впечатление, что уже очень многое или почти все известно и все можно объяснить одними физико-химическими закономерностями. Однако вновь встречаемые препятствия на пути исследования, непредвиденная задержка прогресса приводят к разочарованию и распространению представлений о необъяснимости биологических явлений. Это «конъюнктурные» колебания, которые не должны влиять на общую методологию и ход развития.

Роль философии в значительной мере заключается в нивелировании этих колебаний, в глубоком анализе фактов и серьезной методологической разработке направляющих теорий и обобщений. Эти задачи приобретают особую значимость в кризисные периоды развития науки. Метод диалектического материализма ориентирует естествоиспытателей на то, чтобы не руководствоваться односторонними концепциями, задерживающими прогресс и ведущими к методологическим извращениям.

Во всяком исследовании важнейшую роль играет правильное планирование эксперимента и оценка его результатов. Поэтому голый эмпиризм, оторванный от методологии, может привести к грубейшим ошибкам, как это ярко было показано еще Энгельсом в «Диалектике природы»^[14]. Всякий опыт, как бы тонко и четко он ни был поставлен, в той или иной мере нарушает естественный ход событий. Эксперимент является вмешательством в процесс, и очень важно, по возможности, учитывать степень этого вмешательства, а также сопоставлять результаты экспериментов, проведенных в разных условиях и на различных уровнях.

Даже в самых тонких опытах, которые позволяют раскрыть механизм процесса, этот механизм, как правило, не может объяснить всю сложность биологического явления. Познание механизма процесса — хотя и очень важная, но не единственная цель в понимании того или иного явления. В биологическом эксперименте это особенно ярко проявляется в тех случаях, когда та или иная физиологическая функция исследуется на различных моделях. Так, например, при изучении мышечного сокращения В. А. Энгельгардтом в нашей стране и Сент-Дьердьи в Венгрии были получены наглядные модели механо-химических изменений мышечных волокон. Эти впечатляющие результаты проливают свет на механизм мышечного сокращения. Однако в мышцах этот механизм оказывается гораздо сложнее и требует сопоставления таких модельных опытов с исследованием на уровне тканей и организма.

Механизм биосинтеза белков, изученный на модельных системах, также еще не объясняет особенностей этого процесса в живой клетке и не дает возможности учитывать все факторы, имеющиеся в ней^[15].

Хорошо изученный в настоящее время механизм действия многих витаминов не всегда объясняет явления, наблюдаемые при недостаточности соответствующего витамина — гиповитаминозе или авитаминозе. Не всегда ясно, почему симптомы такой недостаточности проявляются в определенных тканях.

В более общей форме, всякие исследования на моделях и системах, исследования in vitro очень важны для понимания тонких механизмов процесса, но не всегда объясняют его ход в сложном организме. Наоборот, исследования на уровне организма, давая важную информацию о физиологическом процессе, не раскрывают его механизма. Таким образом, познание сущности биологического явления требует сочетания исследований на разных уровнях — молекулярном, субклеточном, клеточном, органном, организменном и биологического сообщества, — сочетания исследований in vitro и in vivo.

Другим моментом, иллюстрирующим необходимость научной методологии, является правильное нахождение объекта исследования. Нередко очень тонкие физико- химические исследования производятся не на тех биологических объектах, которые для этого более всего подходят, в результате чего делаются неправильные выводы. Тонкие физико-химические методы необходимо четко сочетать со знанием биологии изучаемого объекта.

В биологических науках мы имеем особенно глубокое переплетение методов различных наук и методологических проблем ряда дисциплин. Наряду с этим в биологии очень важно применение исторического метода и историко-биологических сопоставлений. Сложность и многообразие явлений, представляющих процесс жизни, разносторонность методов биологии и ее практических выводов свидетельствует о важности обобщений и диалектической методологии в биологических науках.

1. К. Маркс и Ф. Энгельс. Сочинения, т. 20, стр. 565—566. ↑
2. К. Анфинсен. Молекулярные основы эволюции. М., 1962. ↑
3. Аристотель. О возникновении животных. М.—Л., 1940; Он же. О частях животных. М., 1937. ↑
4. Р. Декарт. О человеке. «Избранные произведения». М., 1950. ↑
5. И. М. Сеченов. Рефлексы головного мозга. М.—Л., 1942. ↑
6. И. П. Павлов. Лекции о работе главных пищеварительных желез. — Полн. собр. соч., т. 2, кн. 2. М., 1951. ↑
7. И. П. Павлов. Двадцатилетний опыт объективного изучения высшей нервной деятельности (поведения) животных. М.—Л., 1938. ↑
8. Ф. Жакоб, Ж. Моно. — В кн.: «Регуляторные механизмы клетки». М., 1964, стр. 278 и 477. ↑
9. Г. Ф. Гаузе, В. В. Алпатов. — «Журн. общ. биол.», 1930, т. 6, стр. 408. ↑
10. А. Сент-Дьердьи. Введение в субмолекулярную биологию. М., 1964. ↑
11. М. Ф. Веденов, В. И. Кремянский. — «Вопросы философии», 1965, № 1. ↑
12. К. М. Xайлов. — «Успехи совр. биол.», 1966, т. 61, стр. 198. ↑
13. «Регуляторные механизмы клетки». М., 1964. ↑
14. К. Маркс и Ф. Энгельс. Сочинения, т. 20, стр. 382. ↑
15. См. И. Б. 3барский. Молекулярные механизмы биосинтеза белков и проблема развития. «Вопросы философии», 1963, № 9. ↑