Физико-химическая биология

При всех плюсах натуралистической биологии с ее целостным подходом к изучению природы, биология все же нуждалась в понимании механизмов, явлений и процессов, происходящих на разных уровнях жизни и живых организмов. Поэтому от традиционной описательной биологии ученые были вынуждены перейти к изучению анатомии и физиологии растений и животных, к объяснению процессов жизнедеятельности организмов в целом и их отдельных органов, а затем - все дальше вглубь живой природы: к изучению жизни на клеточном и молекулярно-генетическом уровнях.

Основы анатомических и физиологических знаний также были заложены в античности. Огромную роль в становлении этих наук сыграл Гиппократ и его школа, считавших, что наука должна основываться не на умозрительных схемах, а на наблюдениях и обобщениях опыта. Эти требования легли и в основу медицины, также ставшей наукой с этого времени.

Данную традицию античной науки развил Герофил, который изучал строение и функционирование нервной системы, начал изучать кровеносную систему, дал подробное описание анатомии глаза, печени и других органов тела. Занимаясь вивисекцией, Герофил сопоставил строение тела человека и животных, внес большой вклад в разработку анатомической терминологии.

Подлинное развитие данного направления биологии началось лишь в Новое время. В XVI–XVII вв. благодаря работам Р. Тука, Н. Грю, Я. Гельмонта, М. Мальпиги и других, проводившихся с использованием микроскопа, получила развитие анатомия растений, были открыты клеточный и тканевый уровни организации растений. В биологию проникает эксперимент – искусственная гибридизация, что закладывает основы для возникновения генетики.

Важно отметить, что биология в Новое время все шире использовала методы других естественных наук, более развитых, – физики и химии. Так в науку проникла мысль, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с их помощью. Таким образом, биология все шире использовала идеи редукционизма. Первое время это был лишь методологический подход, но с XIX века можно было говорить о рождении физико-химической биологии, изучавшей жизнь на молекулярном и надмолекулярном уровнях. Большую роль в утверждении нового образа биологии сыграли ученые XIX века, использовавшие методы физики и химии в своих исследованиях, – Луи Пастер, КМ. Сеченов, И.П. Павлов, И.И. Мечников и др. Также обязательно следует назвать основоположников клеточной теории Маттиасса Шлейдена и Теодора Шванна, положивших в 1838 г. начало изучению живой клетки. Их теория привела к появлению цитологии – науки о живой клетке. Дальнейшее изучение клеточного строения вызвало рождение генетики – науки о наследственности и изменчивости. В XX в. появилась молекулярная генетика, что вывело биологию на новый уровень анализа жизни и еще теснее сблизило ее с физикой и химией. Удалось понять генетическую роль нуклеиновых кислот, были открыты молекулярные механизмы генетической репродукции и биосинтеза белка, а также молекулярно-генетические механизмы изменчивости, изучен обмен веществ на молекулярном уровне. При этом открытия в физике и химии, непрерывное совершенствование физических и химических методов и их применение в биологии создали возможность по-новому подойти к изучению множества биологических проблем.

В настоящее время ученые при поиске истины используют весь арсенал накопленных к настоящему времени методов исследования живого. Среди них есть как очень старые (например, с помощью светового микроскопа), так и ультрасовременные методы. Среди них:

– метод меченых атомов, который используется для наблюдения за передвижением и превращением веществ в живом организме;

– методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, позволяющие исследовать крупные молекулярные компоненты и субмикроскопические структуры в живых клетках;

– хроматографические методы, использующиеся при биохимическом исследовании;

– спектральные методы;

– методы зондирования в тканях, позволяющие следить за работой живых органов (ЯМР-томография, УЗИ-томография, оптические зонды).

С точки зрения химии живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. При этом вместе с пищей они получают огромное количество органических и минеральных соединений, которые участвуют в биохимических реакциях организма, а затем в виде продуктов распада выводятся в окружающую среду. Строительным материалом для живой клетки являются макромолекулы – белки, жиры, нуклеиновые кислоты. Гормональная регуляция, происходящая в организме, также представляет собой систему химических реакций.

Объединение биологии с химией положило начало новой науке – биохимии, которая изучает структуру и свойства биомолекул одновременно с их метаболизмом в живых тканях и органах. Иными словами, биохимия анализирует изменения биомолекул внутри живого организма. Биохимикам удалось выяснить, как переносится энергия в клетке, расшифровать механизмы метаболизма (обмена веществ), установить роль мембран, рибосом и других внутриклеточных структур. Именно биохимикам удалось выяснить структуру и функции белков и нуклеиновых кислот, заложив тем самым основы молекулярной генетики. Рекомендациями биохимиков сегодня пользуется медицина, фармацея, сельское хозяйство.

Поскольку современная химия основывается на физике, ученые стремятся объяснить биологические явления и процессы на основе физических закономерностей. В результате в 1950 г. на стыке биохимии, биологии и физики родилась новая наука – биофизика. Биофизики, рассматривая какое-либо биологическое явление, расчленяют его на несколько более элементарных, доступных для понимания актов и исследуют их физические свойства. Биофизикам удалось объяснить механизмы мышечного сокращения, проведения нервного импульса, тайны фотосинтеза и ферментного катализа.