Формирование основных направлений развития теоретической биологии

Следующей значительный шаг в развитии теоретической биологии относится к 20-ым – 30-ым годам. Собственно это период, когда теоретическая биология начинает формироваться как отдельное направление биологических исследований. С разницей в несколько лет публикуется серия влиятельных монографий под одним и тем же названием – «Теоретическая биология»(Эренберг Р., 1928; Икскюлль фон Я., 1928; Берталанфи фон Л., 1932; Бауэр Э., 1935)[6]. В этих работах авторы высказывают свое видение предмета теоретической биологии, ее целей и задач, закладываются концептуальные основы общей теории систем (Берталанфи фон Л.), биофизики (Бауэр Э.), биосемиотики (Икскюлль фон Я.).

Уже в этих первых работах отмечается двойственная природа теоретической биологии. С одной стороны, основная задача теоретической биологии дать всестороннее определение сущности жизни в ее целостности и развитии, в этом случае теоретическая биология выступает как общая теория жизни, то есть как знание о всеобщих явлениях, процессах, структурах живого; с другой стороны, теоретическая биология предстает как форма организации и упорядочивания представлений о биологической реальности, фиксируя нормативное знание из различных отраслей биологии, она способствует выработке общего стиля мышления, сближению языка описания, интегративным процессам в биологии в целом и др. Двойственную природу теоретической биологии отмечал Р. Эренберг. По его мнению, теоретическая биология с одной стороны выступает как методология и логика науки, вскрывающая закономерности биологического познания, С другой стороны, теоретическая биология есть естественнонаучная дисциплина, решающая сугубо биологические проблемы.

Берталанфи Л. по этому вопросу писал: «Теоре­тическая биология в ее первичном значении есть теория познания и методология науки о жизни... Вторичное зна­чение теоретической биологии заключается в том, что она есть наука, о природе, которая относится к описательной и экспериментальной биологии так, как теоретическая физика к экспериментальной физике»[7]. Берталанфи Л. предположил, что задача биологической теории объяснить живой организм не как конгломерат отдельных элементов, а как определенную систему, обладающую организованностью и целостностью. Он начал разрабатывать организмическую концепцию, в которой понятие системы было выдвинуто на передний план, в противоположность аналитической и суммативным точкам зрения. Динамическая концепция жизни противопоставлялась статической и машинной концепциям, а также витализму. Механистическое понимание организма как суммы клеток, подчеркивал Берталанфи, не может объяснить явление регуляции, а также процессы происхождения и развития организмов; витализм отказывается от научного объяснения. Биологическое познание должно основываться, считал Берталанфи, на системном рассмотрении своего предмета – живого организма, исходить из анализа организма как активного, участвующего в обмене веществ. В своей работе «Теоретическая биология» Берталанфи писал, что «наука о целостности и организмическом par excellence – биология – призвана играть в нашем мировоззрении роль, которую она не играла раньше». Сформулированные в 20-ые годы принципы концепции организмизма во многом определили последующую эволюцию взглядов Людвига фон Берталанфи[8].

Другой путь построения теоретической биологии рассмотрел Эрвин Бауэр в ставшей уже классической работе «Теоретическая биология» (1935). Бауэр предложил разделить биологическое знание на специальную или описательную биологию и общую или теоретическую биологию. Теоретическая биология, по мысли Бауэра, должна включать в себя эволюционную теорию или учение о происхождении видов и общую теорию живой материи, последняя еще только требует своей разработки. Эволюционная теория явилась теоретическим завершением описательного периода биологии, когда через описание строения, развития и жизненных проявлений были выявлены закономерности проявления живой материи, а не сами законы движения живой материи. Ближайшую задачу теоретической биологии Бауэр Э. видел в том, чтобы представить и вывести эмпирические законы и данные описательной и экспериментальной биологии с ее разделами в качестве частных моментов развития более общих, выходящих за пределы непосредственного опыта законов и представлений о живой материи, поэтому теоретическая биология (или общая) должна содержать в себе эволюционную теорию (или учение о происхождении видов) и общую теорию живой материи. «Эти общие законы – писал Бауэр, - должны быть законами движения, присущими живой материи, т.е. таким образом, свойственными только ей. Но они должны представить собой свойственные ей всюду и всегда законы движения...»[9]. Бауэр отмечал, что биология не является прикладной физикой или химией, поэтому законы должны быть действительны для всякой живой материи и только для нее. Формулируя принцип устойчивого неравновесия, свою задачу Бауэр Э. видел в том, чтобы «объединить и выразить в форме одного или нескольких законов то, что свойственно всем системам, которые мы обозначаем как живые, и что характерно только для них»[10].

Новые задачи и перспективы развития теоретической биологии были выявлены, благодаря трудам В.И. Вернадского. Начиная с 20-ых годов прошлого века, они развивали новое направление эволюционного учения – учение об эволюции биосферы. В.И. Вернадский определил биосферу как пространство, заполненное живым веществом. «Живое вещество, — писал он, — есть совокупность живых организмов»[11]. Вернадский говорил о первичности биосферы по отношению к отдельному организму: «Биосфера — имеет совершенно определенное строение, определяющее все без исключения в ней происходящее (...). Человек, как 6ы наблюдается в природе, как и все живые организмы, как всякое живое существо, есть функция биосферы, в определенном ее пространстве-времени»[12]. В концепции Вернадского жизнь предстала как целостный эволюционный процесс (физический, геохимический, биологический), включенный в качестве особой составляющей в космическую эволюцию. На стыке геохимии, биологии и учения о биосфере В.И. Вернадский создал теорию живой материи. Согласно теории живой материи, по­следняя организована как динамически устойчивая система. Организованность выступает как специфическая особенность биосферы: «Организованность биосферы — организованность живого вещества — должна рассматриваться как равновесия, подвижные, все время колеблющиеся в историческом и в географическом времени около точно выражаемого среднего. Смещения или колебания этого среднего непрерывно проявляются не в историческом, а в геологическом времени»[13]. Познание живого рассматривалось В.И. Вернадским как единая исторически развивающаяся система знаний, включающая знания о природе, космосе, человеке. Он говорил о существовании двух картин мира, наряду с физическим (механистическим) существует «натуралистическое» представление о мире («картина мира натуралиста»), «более сложное и более для нас близкое и реальное, которое пока тесно связано не со всем Космосом, но с его частью - с нашей планетой, то представление, какое всякий натуралист, изучающий описательные науки, имеет об окружающей его природе. В это представление всегда входит новый элемент, отсутствующий в построениях космогонии, теоретической физики или механики - элемент живого»[14]. Учение Вернадского В.И. об эволюции биосферы следует рассматривать как один из вариантов построения общей теории жизни, основанный на новом мировоззрении.

В биохимии в 20-ые годы применяются попытки по моделированию и воссозданию картины начальных этапов биогенеза и формулировке гипотезы о происхождении жизни на Земле (А.И. Опарин, 1924; Дж. Холдейн, 1929). Начинает формироваться концепция биохимической эволюции, проблема происхождения жизни и проблема определения сущности жизни рассматриваются как взаимосвязанные.

В это же время происходит одно из самых значительных событий для всего биологического познания, создается синтетическая теория эволюции (СТЭ) (Четвериков С.С., Фишер Р., Тимофеев-Ресовский Н.В., Райт С., Дубинин Н.П., Вавилов Н.И. и др.). Происходит синтез дарвинизма и генетики, особым момент в развитии СТЭ следует считать замену типологического (организмоцентрического) мышления, в котором объектом эволюции выступает организм, на популяционное.

Теоретизацию биологии начинают понимать, прежде всего, как продвижение в исследовании эволюционных проблем. Хотя СТЭ на тот момент занимает лидирующую позицию в биологии, в теоретической биологии возникает ряд концепций и идей холистического и неовиталистического толка. Кроме «Учения о значении» (Bedeutungslehre, 1940) Якоба фон Икскюлля, было несколько других биологов, испытавших влияние неовиталистического подхода (Dacque E., Friederichs K., Brock F., Meyer-Abich A., Woltereck R.), в их работах встречаются некоторые моменты семиотического подхода к биологии, интерпретируются и развиваются понятия биологии Икскюлля[15]. Фредерикс К. (Friederichs K., 1937) анализирует понятия «значение», «знак» в своей книге по экологии[16]. Мейер-Абих А. (Meyer-Abich A., 1934) интерпретирует работу Икскюлля о функциональных циклах, как первую формулировку функциональных архетипов, в дополнение к морфологическим архетипам уже известным к тому времени в биологии[17].

В период развития СТЭ биологические теории начинают получать формализованный вид и обретают свой математический базис (Лотка А., Костицын В.А., Вольтерра В.). В 1924 году Альфред И. Лотка опубликовал работу под названием «Элементы физической биологии», которую Моровиц называет «работой большого масштаба по теоретической биологии»[18]. Лотка интересовали биологические системы, а не живые процессы в организме. Биологию он рассматривал как область познания тайн Вселенной, эволюцию как частный случай не­обратимого преобразования, жизнь как грандиозный химический процесс. В качестве математического аппарата Лотка использовал дифференциальные и интегральные уравнения и системы диффе­ренциальных уравнений. По мнению Моровица, книга Лотка «сыгра­ла большую роль в подготовке того развития теоретической биоло­гии, которое имело место в 40-х и 50-х годах»[19]. Математические методы в изучение экологических отношений развивал В. Вольтерра, опубликовавший в 1931 г. «Лекции по математической теории борьбы за существование», а в 1935 г., совместно с Умберто д'Акона, — «Биологические ассоциации с точки зрения математики». В 1937 году Костицын В.А. написал книгу «Математическая биология», где отметил вклад Лотки и Вольтерра в становление аналитического метода математики в биологии. Трудами англичан Фишера Р. («Генетическая теория естественного отбора», 1930), Холдейна Дж. («Математическая теория естественного и искусственного отбора», 1924 - 1931) и американца Райта С. («Эволюция в менделеевских популяциях», 1931) в течение двух десятилетий была создана математическая теория классической популяционной генетики – основы синтетической теории.

Формализация биологических теорий продолжилась и далее, в 1937 г. Дж. Вуджер в монографии «Аксио­матический метод в биологии» предпринял попытку сформулировать биологические проблемы при помощи символической логики. Свою цель он усматривал в создании точного и полностью контролируемо­го языка, позволяющего систематизировать биологические знания. Моровиц выделил как в высшей степени важное для теоретической биологии утверждение Дж. Вуджера, согласно которому «мы в настоящее время не знаем, какие формальные и математические методы будут полезными в биологии», и «не должны предполагать заранее, что ма­тематический аппарат, традиционно применяемый в физике, автома­тически окажется подходящим для биологии»[20].

В 1938 году Рашевский Н. опубликовал свою знаменитую работу «Математическая биофизика», цель которой он видел в том, чтобы заложить основы математической биологии, аналогичной по своим методам математической физике. Рашевский Н. предложил следовать методу физико-химических наук и исследовать живую клетку как идеализированную систему. Понимая, что против такого подхода можно выдвинуть воз­ражение, что подобные системы не имеют ничего общего с живой клеткой и никакие заключения относительно них не могут быть авто­матически перенесены на реальные системы, Рашевский напомнил: «Тем не менее, именно этот подход применяли и всегда применяют в физике. Физик занимается детальным математическим исследова­нием таких нереальных вещей, как «материальные точки», «абсолют­но твердые тела», «идеальные жидкости» и т. п. В природе подобных вещей не существует. Однако же физик не только изучает их, но и применяет свои выводы к реальным вещам»[21]. Это дает, указывал Рашевский, практические результаты, поскольку в известных пределах реальные вещи имеют свойства, общие с воображаемыми идеальными объектами. Но описанный подход ограничен, потому что охватить в математи­ческом аспекте сразу всю сложность реальной природной системы способен, по словам Рашевского, только сверхчеловек. Обыкновен­ным смертные должны быть скромнее и подходить к реальности асимптотически, путем постепенного приближения.

В 40-ых и 50-ых годах XX века в теоретической биологии происходит развитие намеченных ранее программ, наряду с математическими методами и системными исследованиями получают свое широкое распространение методы физического и химического анализа. До середины 1940-ых гг. биохимия развивается относительно независимо от генетики, изменение в направлении их тесного взаимодействия произошло после того, как биология перешла от белковой к нуклеиновой трактовке гена. Созданная Н.К. Кольцовым концепция матричного воспроизведения биологических макромолекул и другие его идеи, опубликованные в 20-е и 30-е годы, были развиты и распространены его учениками. Один из них – Н.В. Тимофеев-Ресовский оказал особенно существенное влияние на мировоззрение тогда еще молодых физиков, обратившихся к теоретической биологии, например, на М. Дельбрюка[22]. В 1944 г. под впечатлением этих идей Э.Шредингер написал свою знаменитую книгу «Что такое жизнь? С точки зрения физики»[23]. Шредингер подчеркнул важную роль, которую играют в биологических процессах сравнительно небольшие атомные структуры, не участвующие в тепловом движении, таким образом, в общей форме была поставлена проблема расшифровки генетического кода. Ученик Дельбрюка биолог Дж. Уотсон и физик Ф.Крик, испытавшие влияние книги Шредингера, установили структуру молекул ДНК (1953г.)[24]. Расшифровка в 1953 году строения молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты явилось началом в стремительном процессе формирования молекулярной биологии. Молекулярная биология как научная дисциплина была изначально ориентирована на познание природы явлений жизнедеятельности путем изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному. Отличительной чертой молекулярной биологии стало то, что изучение явлений жизни происходит на неживых объектах или таких, которым присущи самые примитивные проявления жизни, например, изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, вирусы, нуклеиновые кислоты, белки. Развитие молекулярной биологии привело к революционным преобразованиям биологии XX века. В.А. Энгельгардт отметил два внутренне связанных условия, определивших это революционизирующее воздействие: «С одной стороны, решающую роль сыграло обнаружение возможности изучения важнейших проявлений жизнедеятельности в простейших условиях, приближающихся к типу физических и химических экспериментов. С другой стороны имело место быстрое включение значительного числа представителей точных наук – физиков, химиков, кристаллографов, а затем и математиков – в разработку биологических проблем»[25].

Таким образом, можно констатировать, что к середине XX века подход исследователей к проблемам теоретизации биологического знания с четких логических позиций точного естествознания стал доминирующим. Наметились основные направления развития теоретической биологии: 1) физико-химическое; 2) эволюционное; 3) системное.