| успехов в области познания структуры белков, закономерностей их синтеза, передачи и осуществления наследств, факторов расширяется круг исследований на молекулярном уровне. Расшифрована последовательность расположения аминокислот св. чем в 200 белках, выяснены их вторичная структура и способ укладки полипептидных нитей в молекуле белка. На гигантских хромосомах из клеток слюнной железы дрозофилы была доказана нуклеопротеидная структура хромосом. Удалось очистить вирус табачной мозаики, показав нуклеопротеидную структуру вирусов и фагов.
Науки, изучающие индивидуальное развитие организмов, также добились значит, успехов: разработаны методы экспериментального партеногенеза и андрогенеза, изучена детерминация развития частей и органов зародыша [учения о "градиентах" (амер. учёный Ч. Чайлд, 1915 и позже), об "организаторах" (нем.- X. Шпеман, 1921 и позже)], заложены основы сравнит.-эмбриологич. направления в Б. развития (рус.-Д. П. Филатов). Важные достижения имеются в регуляции процессов восстановления тканей и органов (см. Регенерация) и их пересадке (см. Трансплантация), что имеет большое значение для восстановит, хирургии. Глубже изучены иммунология групп крови, свойства и структура антител, вырабатываемых организмом в ответ на вторжение антигенов.
Значит, успехи достигнуты в физиологии и биохимии животных: учение об условных рефлексах, разработанное И. П. Павловым; бурное развитие нейрофизиологии: изучение физиологии и биохимии мышечного сокращения; выделение и всестороннее исследование ферментов, определяющих направление и скорость различных процессов биосинтеза, и осуществление с их помощью синтеза гормонов (инсулин и др.), витаминов, ферментов (рибонуклеаза и др.) и иных биологически активных веществ. Физиология растений добилась успехов в познании химии фотосинтеза, в изучении участвующих в нём пигментов и прежде всего хлорофилла, к-рый удалось искусственно синтезировать. Есть успехи в изучении роста и развития растений, напр, выделены и частично синтезированы нек-рые гормоны роста (ауксины, гиббереллины).
Многие исследования, в т. ч. и сов. биологов, имели не только теоретич., но и важное прикладное значение, напр, для медицины или с. х-ва. Таковы учение о трансмиссивных заболеваниях и природной очаговостн Е. Н. Павловского, капитальные труды по паразитологии В. А. Догеля, В. Н. Беклемишева и К. И. Скрябина, закон гомологич. рядов в наследственной изменчивости и учение о центрах происхождения культурных растений Н. И. Вавилова и мн. др.
Существенное развитие получила эволюц. теория. Так, в 20-30-х гг. был осуществлён синтез дарвинизма и генетику Вскрытие роли в эволюции популяций как мутационного процесса, так и динамики численности и изоляциях при направляющем действии отбора, позволило разработать совр. эволюционные представления, подкрепляющие, углубляющие и развивающие дарвинизм. Теоретич. анализ этих процессов дали рус. учёный С. С. Четвериков (1915, 1926), амер.- С. Райт (1921-32), англ.-Дж. Б. С. Холдейн (1924-32) и Р. Фишер (1928-30). Изучение природных популяций подтвердило правильность этого анализа и раскрыло сущность микроэволюции - процессов, протекающих на уровне до видообразования. Выделение микро- и макроэволюц. уровней способствовало разработке теории факторов эволюции (сов. биолог И. И. Шмальгаузен и др.), обоснованию главных типов эволюции и вычленению из них в качестве основных - ароморфозов и идиоадаптаций (А. Н. Северцов), развитию представлений о темпах и формах эволюции.
Большие успехи достигнуты в изучении закономерностей образа жизни организмов и их связи со средой обитания, т. е. в экологии как особей и популяций, так и сложных сообществ (биоценозов и экосистем). Выявлены закономерности связи условий среды с распределением организмов в пространстве и времени; особенности сложной структуры популяций и биоценозов; факторы, определяющие динамику численности популяций, и др. фундаментальные зависимости. Созданы концепции трофич. уровней, цепей питания, жизненных форм, эколо-гич. ниш, биологич. продуктивности и связанных с ней понятий и представлений. Крупнейшим достижением Б. является создание сов. учёными В. И. Вернадским биогеохимии и учения о биосфере (1926) и В. Н. Сукачёвым - биогеоценологии, к-рые составят науч. основу взаимоотношений человечества со средой своего обитания - биосферой Земли.
Развитие большинства из упомянутых и др. важных направлений совр. Б. было подготовлено в СССР науч. деятельностью мн. выдающихся биологов. Помимо названных, следует вспомнить имена биохимиков А. Н. Баха, В. С. Гулевича, А. Р. Кизеля, В. И. Палладина, Я. О. Парнаса, Д. Н. Прянишникова; физиологов В. М. Бехтерева, Н. Е. Введенского, Л. А. Орбели, А. Ф. Самойлова, А. А. Ухтомского; микробиологов Б. Л. Исаченко, В. Л. Омелянского, В. О. Таусона; ботаников В. Л. Комарова, С. П. Костычева, Н. А. Максимова; зоологов Л. С. Берга, Н. М. Книповича, В. М. Шимкевича; гистологов, эмбриолотов и генетиков С. Н. Давиденкова, М. М. Завадовского, А. А. Заварзина, С. Г. Левита, А. С. Серебровского, Ю. А. Филипченко, Н. Г. Хлопина и мн. др., оставивших крупные науч. школы.
Однако развитие Б. в СССР отмечено ле только периодами успехов и открытий. В 1936 и 1939 имел место ряд острых дискуссий по методологич. проблемам теоретич. Б. В ходе этих дискуссий подверглись резкой, субъективистской критике нек-рые положения генетики и дарвинизма и основанные на них принципы селекции. Группа учёных (Т. Д. Лысенко и др.) отстаивала ошибочные, механистические взгляды на природу наследственности, видообразования, естественного отбора, органич. целесообразности и др. Эти взгляды были декларированы как развитие науч. наследия выдающегося сов. селекционера И. В. Мичурина и назв. "мичуринской биологией" и "творческим дарвинизмом". После сессии ВАСХНИЛ (1948) обстановка особенно обострилась, исследования ряда направлений общей биологии полностью прекратились. Всё это создало почву для распространения непроверенных фактов и гипотез (учение о неклеточном "живом веществе", скачкообразное "порождение" видов, "превращение" вирусов в бактерии и др.). Отрицат. роль сыграли также дискуссии по физиологии (Объединённая сессия АН и АМН СССР, 1950), по эволюционной морфологии (1953). Всё это сильно затормозило развитие в СССР генетики, эволюционного учения, цитологии, молекулярной Б., физиологии, эволюционной морфологии, систематики и др. отраслей Б. Коренная нормализация положения произошла в октябре 1964, когда были предприняты меры по восстановлению и развитию совр. генетического и др. направлений (созданы соответствующие ин-ты, организовано Всесоюзное об-во генетиков и селекционеров, резко усилена подготовка специалистов в этих областях). Это обеспечивает активное участие сов. Б. в бурном развитии мирового естествознания, на передовых рубежах к-рого во 2-й пол. 20 в. находится Б.
Уровни организации и изучения жизненных явлений
Для живой природы характерно сложное, иерархич. соподчинение уровней организации её структур. Вся совокупность органич. мира Земли вместе с окружающей средой образует биосферу, к-рая складывается из биогеоценозов - областей с характерными природными условиями, заселённых определёнными комплексами (биоценозами) организмов; биоценозы состоят из популяций - совокупностей животных или растит, организмов одного вида, живущих на одной территории; популяции состоят из особей; особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованных различными клетками; клетки, как и одноклеточные организмы, состоят из внутриклеточных структур, к-рые строятся из молекул. Для каждого из выделенных уровней характерны свои закономерности, связанные с различными масштабами явлений, принципами организации, особенностями взаимоотношения с выше-и нижележащими уровнями. Каждый из уровней организации жизни изучается соответств. отраслями совр. Б.
На молекулярном уровне биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, молекулярной генетикой, цитохимией, мн. разделами вирусологии, микробиологии изучаются физ.-хим. процессы, осуществляющиеся в живом организме. Исследования живых систем на этом уровне показывают, что они состоят из низко- и высокомолекулярных органич. соединений, практически не встречающихся в неживой природе. Наиболее специфичны для жизни такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды (жироподобные соединения) и составные части их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, простые углеводы, жирные к-ты и др.). На молекулярном уровне изучают синтез и репродукцию, распад и взаимные превращения этих соединений в клетке, происходящий при этом обмен веществом, энергией и информацией, регуляцию этих процессов. Уже выяснены осн. пути обмена, важнейшая особенность к-рых - участие биол. катализаторов -белков-ферментов, строго избирательно осуществляющих определённые хим. реакции. Изучено строение ряда белков и нек-рых нуклеиновых к-т, а также мн. простых органич. соединений. Показано, что хим. энергия, освобождающаяся в ходе биол. окисления (гликолиз, дыхание), запасается в виде богатых энергией (макроэргических) соединений, в основном аденозинфосфорных кислот (АТФ и др.), и в дальнейшем используется в требующих притока энергии процессах (синтез и транспорт веществ, мышечное сокращение и др.). Крупный успех Б.-открытие генетического кода. Наследственные свойства организма "записаны" в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) четырьмя видами чередующихся в определённой последовательности мономеров-нуклеотидов. Способность молекул ДНК удваиваться (самокопироваться) обеспечивает их воспроизведение в клетках организма и наследственную передачу от родителей к потомкам. Реализация наследственной информации происходит при участии синтезируемых на матричных молекулах ДНК молекул рибонуклеиновой кислоты -РНК, к-рые переносятся от хромосом ядра на специальные внутриклеточные частицы - рибосомы, где и осуществляется биосинтез белка. Т. о., закодированная в ДНК наследственность контролирует через белки-ферменты как структурные белки, так и все осн. свойства клеток и организма в целом.
Биол. исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, выяснения их взаимоотношений друг с другом. Для разделения макромолекул используются их различия в плотности и размерах (ультрацентрифугирование), зарядах (электрофорез), адсорбционных свойствах (хроматография). Взаимное прострайственное расположение атомов в сложных молекулах изучают методом рентгеноструктурного анализа. Пути превращения веществ, скорости их синтеза и распада исследуют путём введения соединений, содержащих радиоактивные атомы. Важным методом является также создание искусственных модельных систем из выделенных клеточных компонентов, где частично воспроизводятся процессы, идущие в клетке. (Все биохимич. процессы в клетке происходят не в однородной смеси веществ, а на определённых клеточных структурах, создающих пространственную разобщённость различных одновременно протекающих реакций.)
При переходе к исследованию клеточных структур, состоящих из определённым образом подобранных и ориентированных молекул, Б. поднимается на следующий уровень организации жизни -клеточный. На этом уровне цитология, гистология и их подразделения (кариология, цитогенетика, цито- и гистохимия, цитофизиология и др.), а также мн. разделы вирусологии, микробиологии и физиологии изучают строение клетки и внутриклеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в разных тканях и органах. Клетка -осн. самостоятельно функционирующая единица структуры многоклеточного организма. Мн. организмы (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) состоят из одной клетки, точнее, являются бесклеточными. Свойства клетки определяются её компонентами, осуществляющими различные функции. В ядре находятся хромосомы, содержащие ДНК и, следовательно, ответственные за сохранение я передачу дочерним клеткам наследственных свойств. Энергетич. обмен в клетке -дыхание, синтез АТФ и др.- происходит гл. обр. в митохондриях. Поддержание хим. состава клетки, активный транспорт веществ в неё и из неё, передача нервного возбуждения, форма клеток и характер их взаимоотношений определяются структурой клеточной оболочки. Совокупность клеток одного типа образует ткань, функцией, сочетание неск. тканей-орган. Строение и функции тканей и органов в основном определяются свойствами специализированных клеток.
Исследованиями на клеточном уровне выяснены осн. компоненты клетки, строение различных клеток и тканей и их изменения в процессах развития. При изучении клеток в световом микроскопе, позволяющем видеть детали порядка 1 мкм, для большей контрастности изображения применяют разные методы фиксации, приготовления тонких прозрачных срезов, их окраски и др. (см. Микроскопия). Локализацию в клетке различных хим. веществ и ферментов выявляют цветными гистохимич. реакциями, места синтеза макромолекул -авторадиографией. Электронная микроскопия позволяет различать структуры порядка 5-10 А, т. е. вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднено из-за недостаточной контрастности изображения. Функция внутриклеточных компонентов изучают, выделяя их из разрушенных (гомогенизированных) клеток осаждением в центрифугах с различными скоростями вращения. Свойства клеток исследуют также в условиях длительного культивирования их вне организма (см. Культуры тканей), пользуясь микроманипуляторами и методами микрургии, производят обмен ядрами между клетками, слияние (гибридизацию) клеток и т. д.
На уровне целого организма изучают процессы и явления, происходящие в особи (индивидууме) и определяющие согласованное функционирование её органов и систем. Этот уровень исследуют физиология (в т. ч. высшей нервной деятельности), эндокринология, иммунология, эмбриология, экспериментальная морфология и мн. др. отрасли Б. Для создания общей теории онтогенеза особенно интересны исследования, направленные на вскрытие причинных механизмов становления биол. организации, её дифференцировки и интеграции, реализации генетич. информации в онтогенезе. На этом уровне изучают также механизмы работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимные влияния органов, нервную, эндокринную и гуморальную регуляцию их функций, поведение животных, приспособительные изменения и т. д. В организме функции разных органов связаны между собой: сердца - с лёгкими, одних мышц - с другими и т. д. В значит, мере эта взаимосвязь (интеграция) частей организма определяется функцией желез внутренней секреции. Так, поджелудочная железа и надпочечники через гормоны - инсулин и адреналин - регулируют накопление гликогена в печени и уровень сахара в крови. Эндокринные железы связаны друг с другом по принципу обратной связи - одна железа (напр., гипофиз) активирует функцию другой (напр., щитовидной железы), в то время как та подавляет функцию первой. Такая система позволяет поддерживать постоянную концентрацию гормонов и тем самым регулировать функцию всех органов, зависящих от этих желез. Ещё более высокий уровень интеграции обеспечивается нервной системой с её центральными отделами, органами чувств, чувствительными и двигательными нервами. Посредством нервной системы организм получает информацию от всех органов и от внешней среды; эта информация перерабатывается центр, нераной системой, регулирующей функции органов и систем и поведение организма.
Среди применяемых на этом уровне методов широкое распространение получили электрофизиологические, состоящие в отведении, усилении и регистрации биоэлектрических потенциалов. Эндокринная регуляция изучается в основном биохимич. методами (выделение и очистка гормонов, синтез их аналогов, изучение биосинтеза и механизмов действия гормонов и др.). Исследования высшей нервной деятельности животных и человека включают её моделирование, в т. ч. с применением средств кибернетики, а также экспериментальный анализ поведения (предъявление задач, выработка условных рефлексов и т. д.).
На популяционно-видовом уровне соответствующие отрасли Б. изучают элементарную единицу эволюц. процесса - популяцию, т. е. совокупность особей одного вида, населяющую определенную территорию и в б. или м. степени изолированную от соседних таких же совокупностей. Подобная составная часть вида способна длительно существовать во времени и пространстве, самовоспроизводиться (посредством репродукции входящих в неё особей) и трансформироваться (посредством преимущественного размножения тех или иных групп особей, различающихся в генетич. отношении). В ряду поколений протекает процесс изменения состава популяции и форм входящих в неё организмов, приводящий в итоге к видообразованию и эволюционному прогрессу. Единство популяции определяется потенциальной способностью всех входящих в её состав особей скрещиваться (панмиксия), а значит -и обмениваться генетич. материалом. Половое размножение, характерное для большинства обитателей Земли, обеспечивает как общность морфо-генетич. строения всех сочленов популяции, так и возможность многократного увеличения генетич. разнообразия посредством комбинации наследственных элементов. Изоляция одной популяции от других делает возможным существование в процессе эволюции такого "разнообразного единства". Для организмов, размножающихся бесполым путём (посредством вегетативного размножения, партеногенеза или апомиксиса), морфо-физиологич. единство популяций определяется опять-таки общностью их генетич. состава. Однако в отношении таких бесполых, вегетативно или простым делением размножающихся организмов в строгой форме не применимо понятие вида. Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано и с молекулярным, и с клеточным, и с организменным подходами. При этом генетика своими методами изучает характер распределения наследственных особенностей в популяциях; морфология, физиология, экология и др. отрасли Б. исследуют популяцию своими методами. Т. о., популяция и вид как целое могут служить объектами исследования самых разных отраслей Б.
На биогеоценотическом и биосферном уровне объектом изучения биогеоценологии, экологии, биогеохимии и др. отраслей Б. служат процессы, протекающие в биогеоценозах (часто наз. экосистемами) - элементарных структурных и функциональных единицах биосферы. Каждая популяция существует в определённой среде и составляет часть многовидового сообщества -биоценоза, занимающего определённое место |
