Біологія ХХ століття: пізнання молекулярного рівня життя

Сучасна біологія ґрунтується на тих досягненнях, які були зроблені в цій науці в другій половині XIX століття: створення Ч. Дарвіном еволюційного вчення, основоположні роботи К.Бернар в області фізіології, найважливіші дослідження Л.Пастера, Р. Коха і І.І. Мечникова в галузі мікробіології та імунології, роботи І.М. Сєченова і І.І.Павлова в області вищої нервової діяльності і, нарешті, блискучі роботи Г. Менделя, хоча і не отримали популярності до початку XX століття, але вже виконані їх видатним автором. XX століття стало продовженням не менше інтенсивного прогресу в біології. У 1900 році голландським вченим-біологом Х. де Фрізом, німецьким вченим-ботаніком К.Е.Корренсом і австрійським вченим Е.Чермак-Зейзенеггом незалежно один від одного і майже одночасно вдруге були відкриті і стали загальним надбанням закони спадковості, встановлені Менделем.

Розвиток генетики після цього відбувався швидко. Був прийнятий принцип дискретності в явищах спадковості, відкритий ще Менделем; досліди з вивчення закономірностей успадкування нащадками властивостей і ознак батьків були значно розширені. Було прийнято поняття «ген», введене відомим датським біологом Вільгельмом Іогансоном в 1909 році і яке означало одиницю спадкового матеріалу, відповідального за передачу у спадок певної ознаки.

Утвердилося поняття хромосоми як структурного ядра клітини, яке містить дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК) – високомолекулярну сполуку, носій спадкових ознак.

Подальші дослідження показали, що ген є певною частиною ДНК і дійсно носієм тільки певних успадкованих властивостей, у той час як ДНК – носій всієї спадкової інформації організму.

Розвитку генетики[1] сприяли у великій мірі дослідження відомого американського біолога, одного з основоположників цієї науки, Томаса Ханта Моргана (1866-1945). Він сформулював хромосомну теорію спадковості. Більшість рослинних і тваринних організмів є диплоїдними, тобто їх клітини (за винятком статевих) мають набори парних хромосом, однотипних хромосом від жіночого і чоловічого організмів. Хромосомна теорія спадковості зробила більш зрозумілими явища розщеплення у спадкуванні ознак.

Роботи в галузі генетики, дослідження механізму спадковості привели до розвитку біотехнологій. Генетичні дослідження в СРСР, пов'язані з ім'ям академіка Н.І. Вавилова, були згорнуті, після того як генетику оголосили лженаукою, а ті, хто її розробляли, загинули в радянських таборах смерті. Лідерство в цих дослідженнях перейшло до США. У 1953 р. вчені Кембриджського університету Д. Уотсон і Ф. Крик відкрили молекулу ДНК, яка несе в собі програму розвитку організму.

Після публікації Дж. Уотсоном і Ф. Криком в 1953 році моделі дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) пройшло більше 50 років. Це відкриття визначило розвиток біології другої половини XX століття. Питання про те, що і як записано в ДНК, прискорило розшифровку генетичного коду. Усвідомлення того, що гени – це ДНК, універсальний носій генетичної інформації, призвело до появи генної інженерії. Сьогодні вже студенти університетів розшифровують чергування нуклеотидів в ДНК, з'єднують гени різних організмів, переносять їх між видами, родами і значно більш віддаленими таксонами. На базі генної інженерії виникла біотехнологія, яку відомий фантаст С. Лем визначив як використання закономірностей біогенезу у виробництві.

Важливою подією в розвитку генетики стало відкриття мутацій – раптово виниклих змін у спадковій системі організмів, які можуть призвести до стійкої зміни властивостей гібридів, переданих і далі у спадок. Своїм виникненням мутації зобов'язані або випадковим у розвитку організму подіям (їх зазвичай називають природними або спонтанними мутаціями), або штучно викликаним впливам (такі мутації часто іменують індукованими). Всі види живих організмів (як рослинних, так і тварин) здатні мутувати, тобто давати мутації. Це явище – раптове виникнення нових, що передаються у спадок властивостей – відомо в біології давно. Однак систематичне вивчення мутацій було розпочато голландським вченим Хуго де Фрізом, що встановив і сам термін «мутації». Було виявлено, що індуковані мутації можуть виникати в результаті радіоактивного опромінення організмів, а також можуть бути викликані впливом деяких хімічних речовин.

Слід зазначити першовідкривачів всього того, що пов'язано з мутаціями. Радянський вчений-мікробіолог Георгій Адамович Надсон (1867-1940) разом зі своїми колегами та учнями встановив в 1925 році вплив радіовипромінювання на спадкову мінливість у грибів. Відомий американський генетик Герман Джозеф Меллер (1890-1967), що працював протягом 1933-1937 років у СРСР, виявив в 1927 році в дослідах з дрозофилами сильне мутагенну дію рентгенівських променів. У подальшому було встановлено, що не тільки рентгенівське, але і будь-яке іонізоване опромінення викликає мутації.

Досягнення генетики (і біології в цілому) за минуле після виходу в світ книги Дарвіна «Походження видів» століття такі значні, що було б дивно, якби все це ніяк не вплинуло на дарвінівську теорію еволюції. Два фактори: мінливість і спадковість, яким Дарвін надавав великого значення, отримали більш глибок тлумачення.

Отже, подальший розвиток біології та генетики, яка входить до неї складовою частиною, по-перше, ще більше зміцнило дарвінівську теорію еволюції живого світу і, по-друге, дало більш глибоке тлумачення (відповідне досягнутим успіхам в біології) поняттям мінливості і спадковості, а отже, всьому процесу еволюції живого світу. Більш того, можна сказати, що успіхи біології висунули цю науку в ряди лідерів природознавства, причому найбільш вражаючі її досягнення пов'язані з вивченням процесів, що відбуваються на молекулярному рівні.

Молекулярна біологія. Прогрес у галузі вивчення макромолекул до другої половини ХХ століття був порівняно повільним, але завдяки техніці фізичних методів аналізу швидкість його різко зросла. У.Астбері ввів у науку термін «молекулярна біологія» і провів основоположні дослідження білків і ДНК. Хоча в 40-ві роки майже повсюдно панувала думка, що гени являють собою особливий тип білкових молекул, в 1944 році О. Евері, К.Маклеод і М.Маккарті показали, що генетичні функції в клітині виконує не білок, а ДНК. Встановлення генетичної ролі нуклеїнових кислот мало вирішальне значення для подальшого розвитку молекулярної біології, причому було показано, що ця роль належить не тільки ДНК, але і РНК (рибонуклеїновій кислоті). Вотсону і Крику вдалося побудувати модель молекули ДНК, що нагадує подвійну спіраль.

Поряд з вивченням нуклеїнових кислот і процесом синтезу білка в молекулярній біології велике значення з самого початку мали дослідження структури і властивостей самих білків. Паралельно з розшифровкою амінокислотного складу білків проводилися дослідження їх просторової структури. Серед найважливіших досягнень цього напрямку слід назвати теорію спіралі, розроблену в 1951 році Е.Полінгом і Р.Корі. Відповідно до цієї теорії, поліпептидний ланцюг білка не є плоским, а згорнутим в спіраль, характеристики якої були також визначені.

Генна інженерія. У 1972 р. в Каліфорнійському університеті досліджувалися можливості зміни структури ДНК, що відкривало шлях до створення штучних організмів. Перший патент у цій галузі, за створення методом генної інженерії мікроорганізму, що прискорює переробку сирої нафти, був виданий в 1980 р. американському вченому А. Чакрабарті. У 1988 р. Гарвардський університет отримав патент за вирощування, за допомогою генетичних маніпуляцій, живої миші. Почалося виведення нових порід тварин і рослин. Вони набагато краще, ніж базові види, пристосовані до несприятливих кліматичних умов, мають імунітет до багатьох захворювань і т.д.

Стовбурові клітини. Відкриття стовбурових клітин людини стало одним із трьох найбільш значних відкриттів в біології, зроблених в XX столітті. Два інших – встановлення структури молекули ДНК і розшифровка генома людини. Однак саме стовбурові клітини стали предметом для численних спекуляцій з приводу можливості їх застосування в практичній медицині вже сьогодні. Численні косметологічні клініки пропонують своїм клієнтам нову процедуру омолодження з використанням стовбурових клітин самих же клієнтів. Більш того, в рекламних оголошеннях наводять приклади успішно проведених процедур на іменитих пацієнтах.

Тим часом фахівці в галузі біотехнології стверджують, що їм відомо всього кілька відпрацьованих технологій клінічного застосування стовбурових клітин людини, що виділяються з кісткового мозку та периферичної крові для лікування обмеженого числа захворювань.

У біологію термін "стовбурова клітина" ввів російський вчений Олександр Максимов в 1908 році в Берліні на з'їзді гематологічного суспільства. Наступною значною віхою у дослідженні цього наукового питання стало відкриття російськими фахівцями Олександром Фріденштейном і Йосипом Чертковим в 60-70-тих роках минулого століття стовбурових клітин крові. І за великим рахунком саме їм належить авторство в створенні вчення про стовбурові клітини.

Проте інтенсивний розвиток цієї науки почався з 1998 року, коли американські вчені Д. Томпсон і Д. Герхард виділили ембріональні стовбурові клітини.

Отже, що ж це за клітини? Стовбурові клітини – це популяція так званих клітин-попередників, що володіють високим проліферативним (здатністю ділитися) потенціалом і здатністю до диференціювання – розвитку в зрілі, що утворюють тканини і органи, клітини. Простіше кажучи, стовбурові клітини – це та основа, з якої розвивається весь організм. Так, зародок цілком складається зі стовбурових клітин, які починають поступово диференціюватися в клітини майбутніх органів і тканин.

Таким чином, в дорослому організмі стовбурових клітин набагато менше, ніж у новонародженому. А так як вони здатні перетворюватися в клітки будь-яких органів і тканин, в дорослому організмі вони виконують регенеративну функцію. Тобто в разі пошкодження якогось органу стовбурові клітини направляються до вогнища лиха і перетворюються на клітини хворого органу, сприяючи його відновленню. Саме ця властивість стовбурових клітин лягла в основу розробки методів їх застосування в терапевтичних цілях.

Стовбурові клітини діляться на ембріональні і соматичні. Ембріональні виділяють відповідно з ембріона на ранній стадії його розвитку. Соматичні стовбурові клітини –це клітини дорослого організму, які присутні в основному в кістковому мозку, а також у периферичної крові (крові, що циркулює в організмі) і в невеликих кількостях у всіх органах і тканинах.

Зрозуміло, що лікування з використанням стовбурових клітин в першу чергу зводиться до їх трансплантації. А значить, потрібно визначити основне джерело стовбурових клітин і спосіб їх отримання.

Основні джерела клітин-попередників – фетальний матеріал (абортний), пуповинна кров, а також кістковий мозок і периферична кров. Використання фетального матеріалу – один з найбільш складних шляхів, насамперед з етичних міркувань. Інша справа кров пуповинна – це чи не найбагатше джерело стовбурових клітин. Однак їх подальша пересадка пацієнтам сполучена з безліччю проблем, головна з яких – сумісність донора і реципієнта.

В даний час цей метод офіційно застосовують тільки для лікування дуже обмеженого числа хвороб. Йдеться про трансплантацію гемопоетичних (кровотворних) стовбурових клітин в терапії онкогематологічних і гематологічних захворювань. Іншими словами, злоякісних і доброякісних захворювань крові.

Зараз одним з основних показань до застосування стовбурових клітин служить стан хворого після променевої або хіміотерапії.

Клонування. На порозі XXI століття були відкриті можливості клонування – штучного вирощування з однієї клітини точного біологічного подоби організму донора. Питання етичності такого глибокого втручання в природні процеси, потенційної небезпеки генетичних експериментів, наслідки яких не завжди передбачувані, обговорювалися неодноразово, але це не призвело до їх припинення.

Ще в 1943 році журнал «Сайєнс» повідомив про успішне заплідненні яйцеклітини в «пробірці». Далі події розвивалися таким чином.

1973 рік – професор Л. Шетлз з Колумбійського університету в Нью-Йорку заявив, що він готовий привести на світ першого «бебі з пробірки», після чого пішли категоричні заборони Ватикану і пресвітеріанської церкви США.

1978 року – народження в Англії Луїзи Браун, першої дитини «з пробірки».

1997 – 27 лютого «Нейчур» помістив на своїй обкладинці – на тлі мікрофотографії яйцеклітини – знамениту овечку Доллі, яка народилася в інституті Рослин в Единбурзі.

1997 рік – в самому кінці грудня журнал «Сайєнс» повідомив про народження шести овець, отриманих за Рослінського методу. Три з них, в тому числі і овечка Доллі, несли людський ген «фактора IX», або кровоспинний білка, який необхідний людям, страждаючим на гемофілію, тобто несвертиваемостью крові.

1998 рік – чиказький фізик Сиди оголошує про створення лабораторії з клонування людей: він стверджує, що відбою від клієнтів у нього не буде.

1998 рік, початок березня – французькі вчені оголосили про народження клонованої телички.

Все це відкриває унікальні перспективи для людства.

Клонування органів і тканин – це завдання номер один в галузі трансплантології, травматології і в інших областях медицини і біології. При пересадці клонованого органу не треба думати про придушення реакції відторгнення і можливі наслідки у вигляді раку, що розвинувся на фоні імунодефіциту. Клоновані органи стануть порятунком для людей, що потрапили в автомобільні аварії або які-небудь інші катастрофи, або для людей, яким потрібна радикальна допомога з-за захворювань похилого віку (зношене серце, хвора печінка і т.д.).

Найбільш наочний ефект клонування – дати можливість бездітним людям мати своїх власних дітей. Мільйони сімейних пар у всьому світі страждають, будучи приреченими залишатися без нащадків.

Розвиток біохімії та генетики позначилося на розвитку медицини. Ще наприкінці XIX століття були відкриті мікроорганізми, що були причиною захворювання холерою, сибіркою, туберкульозом, дифтеритом, сказом, чумою, малярією, сифілісом, досліджено шляхи передачі цих хвороб, винайдені методи лікування багатьох з них. Почали розроблятися методи санітарії та гігієни, профілактики та попередження епідемій, включаючи вакцинацію (щеплення) проти деяких хвороб, з'явилися нові ліки – аспірин і пірамідон. У 1920-1930-ті рр. були виділені і отримані штучно вітаміни (в 1927 р. вітаміни В і С, потім D і А). Ще великою підмогою для медицини стали антибіотики – речовини, здатні зупиняти розвиток хвороботворних мікробів, найбільш відомим з яких є пеніцилін, виділений із цвілі (названий так А Флемінгом у 1929 р.). Хімічним (синтетичним) аналогом пеніциліну стали стрептоцид, сульфідін, сульфазол.

Після другої світової війни з відкриттям вірусної природи багатьох захворювань стали розроблятися антивірусні препарати.

Поглиблення знань про природу живої матерії розкрило можливості трансплантації (пересадки) органів, лікування спадкових, обумовлених генетичними факторами захворювань. Нові можливості перед медициною розкрили досягнення ядерної фізики, електроніки. У діагностиці вже в 1930-ті рр. стали використовуватися рентгенівські апарати, електрокардіографи, електроенцефалографи і т.д. В останній третині століття були створені апарати штучної нирки та імплантують кардіостимулятор. Нові технології, зокрема використання лазерного скальпеля, розширили можливості хірургії.

Хімія. Хімію прийнято поділяти на п'ять розділів: неорганічна, органічна фізична, аналітична і хімія високомолекулярних сполук.

Основними завданнями неорганічної хімії є: вивчення будови сполук, встановлення зв'язку будови з властивостями і реакційною здатністю. Також розробляються методи синтезу і глибокого очищення речовин. Велика увага приділяється кінетиці і механізму неорганічних реакцій, їх каталітичному прискоренню і уповільненню. Для синтезів все частіше застосовують методи фізичного впливу: надвисокі температури і тиску, іонізуюче випромінювання, ультразвук, магнітні поля. Багато процесів проходять в умовах горіння або низькотемпературної плазми. Хімічні реакції часто поєднують з отриманням волокнистих, шаруватих і монокристалічних матеріалів, з виготовленням електронних схем.

Неорганічні сполуки застосовуються як конструкційні матеріали для всіх галузей промисловості, включаючи космічну техніку, як добриво і кормові добавки, ядерне і ракетне паливо, фармацевтичні матеріали.

Органічна хімія – найбільш великий розділ хімічної науки. Якщо число відомих неорганічних речовин обчислюється тисячами, то органічних речовин відомо кілька мільйонів. Загальновизнано величезне значення хімії полімерів. Так, ще в 1910 році С.В. Лебедєв розробив промисловий спосіб отримання бутадієну, а з нього каучуку.

У 1936 році У. Карозерс синтезує «найлон», відкривши новий тип синтетичних полімерів – поліаміди. У 1938 році Р.Планкет випадково відкриває тефлон, що створило епоху синтезу фторполімерів з унікальною термостабильністю, створюються «вічні» мастильні масла (пластмаси та еластомери), широко використовувані космічною та реактивної технікою, хімічної та електротехнічної промисловістю. Завдяки цим та багатьом іншим відкриттям з органічної хімії виросла хімія високомолекулярних сполук (або полімерів).

Розпочаті в 30-40-ті роки широкі дослідження фосфорорганічних сполук (А.Є. Арбузов) привели до відкриття нових типів фізіологічно активних сполук – лікарських препаратів, отруйних речовин, засобів захисту рослин та ін.

Хімія барвників практично дала початок хімічної індустрії. Наприклад, хімія ароматичних і гетероциклічних сполук створила першу галузь хімічної промисловості, продукція якої нині перевершує 1 млрд. тонн, і породила нові галузі – виробництво запашних і лікарських речовин.

Проникнення органічної хімії в суміжні області – біохімію, біологію, медицину, сільське господарство – призвело до вивчення властивостей, встановленню структури і синтезу вітамінів, білків, нуклеїнових кислот, антибіотиків, нових засобів прискорення росту рослин і засобів боротьби з шкідниками.

Відчутні результати дає застосування математичного моделювання. Якщо перебування якого-небудь фармацевтичного препарату або інсектициду вимагало синтезу 10-20 тис. речовин, то за допомогою математичного моделювання вибір робиться лише в результаті синтезу декількох десятків сполук.

Роль органічної хімії в біохімії важко переоцінити. Так, в 1963 році В. Виньо синтезував інсулін, також були синтезовані окситоцин (пептидний гормон), вазопресин, брадикінін (має судинорозширювальну дію). Розроблено напівавтоматичні методи синтезу поліпептидів (Р. Меріфілд, 1962).

Вершиною досягнень органічної хімії в генній інженерії з'явився перший синтез активного гена (X. Корану, 1976). У 1977 році синтезований ген, що кодує синтез людського інсуліну, а в 1978-му – ген соматостатину (здатний пригнічувати секрецію інсуліну, пептидний гормон).

Фізична хімія пояснює хімічні явища і встановлює їх загальні закономірності. Фізична хімія останніх десятиліть характеризується такими рисами: в результаті розвитку квантової хімії (використовує ідеї та методи квантової фізики для пояснення хімічних явищ) багато проблем хімічної будови речовин і механізму реакції вирішуються на підставі теоретичних розрахунків; поряд з цим широко використовуються фізичні методи дослідження – рентгеноструктурний аналіз, дифракція електронів, спектроскопія, методи, засновані на застосуванні ізотопів та ін.

Аналітична хімія розглядає принципи і методи вивчення хімічного складу речовини. Включає кількісний і якісний аналіз. Сучасні методи аналітичної хімії пов'язані з необхідністю отримання напівпровідникових та інших матеріалів високої частоти. Для вирішення цих завдань були розроблені чутливі методи: активаційний аналіз, хіміко-спектральний аналіз та ін.

Сучасна хімія постає перед нами як виключно багатогранна і розгалужена система знань, для якої характерно інтенсивний розвиток. Найважливішим стратегічним орієнтиром цього процесу є все більш тісний синтез хімії як науки та хімії як технології промислового виробництва.

Біохімія. Хімія не оминула своєю увагою і сільське господарство, де з початком XX століття почалося застосування мінеральних добрив, що збільшують родючість ґрунту. У другій половині століття широко стали застосовуватися хімічні методи боротьби з шкідниками сільського господарства (отрутохімікати), бур'янами. Створення речовин, що вибірково знищують одні види рослин і є нешкідливими для інших, стало можливим завдяки розвитку біології, біохімії. Нове значення придбали здійснені на початку століття дослідження німецького вченого А. Вейсмана і американського вченого Т. Моргана, які, спираючись на роботи чеського натураліста Г. Менделя про спадковість, заклали основи генетики – науки про передачу спадкових факторів у рослинному і тваринному світі. Досвід робіт 1920-1930-х рр. щодо вдосконалення агротехнічних прийомів (зокрема, Л. Бербанку по селекції насіння, вдосконаленню сортів культурних рослин) у поєднанні з добривами, пестицидами, вдосконаленням технічних засобів обробки землі дозволив з 1930-х по 1990-ті рр. в 2-3 рази підвищити врожайність багатьох культур.