Рассказывают ученые

"...Химическая эволюция происходила одновременно с биологической эволюцией. Первые стадии химической эволюции должны были происходить до формирования совершенных внутриклеточных структур", - писал Джон Бернал в книге "Возникновение жизни" (стр. 98). Известный голландский исследователь М. Руттен говорит о происхождении жизни: "В этих процессах нет ничего божественного, сверхъестественного, мистического, виталистического или хотя бы неестественного. Чтобы уяснить себе обыденный характер этих процессов, надо помнить, что в основе своей они не отличаются от всех других неорганических процессов, в том числе и тех, что идут по сей день. Например, от природы процессов образования облаков, отложения кристаллов соли в лагунах, высыхающих на жарком солнце, или, скажем, процессов ржавления железа" [М. Руттен. Происхождение жизни. М., 1973, стр. 81].

Дж. Бернал остроумно заметил: "...трудно представить себе какое-либо божество, занятое созданием посредством какой-то духовной микрохимии молекулы дезоксирибонуклеино-вой кислоты, которая дала организму с первичной последовательностью возможность расти и размножаться" [Дж. Бернал. Возникновение жизни, стр. 181].

На данном этапе развития науки еще не удалось понять и воспроизвести тайну перехода из неорганического мира в органический, но наука на пути к разгадке. При современных темпах развития науки, возможно, мы станем свидетелями ее триумфа - разгадки тайны жизни.

Однако, несмотря на все успехи современной биологии, защитники религии здесь, как и в других областях науки, весьма широко используют то обстоятельство, что на любом этапе своего прогресса человеческое познание не может до конца исчерпать предмет исследования, вечную, постоянно изменяющуюся материю.

Религиозно-идеалистические спекуляции в науке о живом оказываются возможными еще и потому, что обыденное массовое сознание с трудом воспринимает сложный язык современной науки, ее положения, которые нередко весьма далеки от наглядных повседневных истин. Религиозные же утверждения в этой сфере гораздо проще, более доступны, к тому же им ныне придается убедительность при помощи наукообразной формы, ссылок на якобы неопровержимые "научные" аргументы, намеков на какие-то якобы подтверждающие догматы религии открытия и т. п.

Вот почему в атеистической пропаганде совершенно необходима широкая популяризация подлинного смысла современных достижений биологической науки, а они убедительно подтверждают истинность диалектико-материали-стического взгляда на мир.

Как уже отмечалось, фронт исследований живого сегодня поистине необъятен. Рассказать популярно обо всем, что в этой области делается, в одном, сравнительно небольшом, разделе книги не представляется возможным. Читатель познакомится лишь с несколькими "горячими точками" современной биологии - с исследованиями проблемы жизни у самых ее истоков, на молекулярном уровне. Эта тема имеет особо важное значение в борьбе науки с религиозным миропониманием, так как именно здесь находится ответ на вопрос: что представляет собой жизнь? Какова ее сущность? Как она появилась на Земле?

Ученые рассказывают

А. А. Бутаков,

кандидат философских наук

Что такое жизнь!

Как известно, в основе живых организмов лежит органическая клетка. Ее можно считать наиболее простым элементом живой материи. Вот почему многие ученые уже давно высказывали мысль, что именно клетка - это исходный, простейший элемент жизни, носитель биологических процессов, обладающий всеми атрибутами живого. Этот взгляд отстаивал, например, К. А. Тимирязев. С ним можно встретиться и в трудах многих других исследователей. Так, более 40 лет назад в одной из своих работ известный советский физиолог А. А. Кулябко (1866 - 1930) писал: "В настоящее время простейшим элементарным носителем жизни и основным элементом строения всех живых организмов мы признаем клетку". Однако в этой же работе А. А. Кулябко пришел к выводу, что органическая клетка слишком сложна, чтобы ее можно было принять за первоначальный носитель жизни. Поэтому он считал, что такими носителями должны быть "ультрамикроскопические тельца".

С положениями А. А. Кулябко об огромной сложности клетки перекликаются современные работы А. И. Опарина. "Может быть, говоря о синтезе жизни, пишет он, - и нам сейчас нужно думать не о построении современной, способной к дыханию или фотосинтезу клетки, которую мы обычно изучаем, а об искусственном воспроизведении только еще несравненно менее сложных систем, но все же уже обладающих самыми первоначальными признаками жизни способностью хотя бы к относительно очень примитивному обмену веществ, обеспечивающему им, однако, способность к постоянному самосохранению и самовоспроизведению в определенных условиях окружающей среды".

За последние десятилетия биологическая наука добилась очень многого в своем проникновении в глубины живого. Можно сказать, что сейчас ученые стоят на самом рубеже раскрытия тайны живого, порога, отделяющего живую материю от неживой. Однако эти проблемы пока еще только решаются наукой. Они очень сложны и требуют немалых усилий со стороны ученых. Тем не менее сейчас уже вполне ясно, что носитель всех биологических процессов должен обладать по крайней мере четырьмя качествами: 1) способностью к обмену веществ; 2) способностью к передаче наследственных признаков; 3) способностью к саморегулированию и 4) способностью к самовоспроизведению.

Какая же из известных нам первичных живых систем имеет все эти признаки? Белок? Нет, он, как теперь известно, не обладает всеми перечисленными способностями. Это подтверждает ряд современных важнейших научных открытий. Так, в последние годы было обнаружено, что в каждом новом поколении живых существ возникновение белков происходит заново. Оказалось, что наряду с белком ведущая роль в процессах жизнедеятельности принадлежит нуклеиновым кислотам - дезок-сирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Выяснилось также, что преемственность жизни, ее воспроизведение связано не с белками, а с молекулярной структурой ДНК, локализованной в хромосомах клеточных ядер.

Однако если внимательно ознакомиться с достижениями современной биологии, то выяснится, что нуклеиновые кислоты, как и белок, нельзя безоговорочно назвать единственными специфическими носителями жизни. К тому же многие ученые теперь уже считают, что ДНК вовсе не единственный хранитель и передатчик биологической информации. По мнению И. Б. Збарского, например, "если ДНК и является наиболее совершенным хранителем и передатчиком биологической информации, то было бы ошибочно рассматривать ее или даже вообще нуклеиновые кислоты как единственные соединения, обладающие этими свойствами".

Обращает на себя внимание и тот факт, что сам состав ДНК неоднороден. Так, у высших растений и многоклеточных животных в составе ДНК найден 5-метилцитозин, которого нет в ДНК низших форм. В составе ДНК некоторых бактерий есть 6-метиладенин. К тому же ученые считают, что созда"ие белка в клетке зависит не только от генетического кода, но и от температуры. Интересно, что теперь появилось мнение о существовании кроме генов и других особых единиц наследственности - плазмогенов, как их назвали.

"Разумно предположить, - пишет, например, В. Фирсов, - что именно плазмогенами определяются изменения в синтезе белков, происходящие как за время индивидуального развития организма (онтогенеза), так и в процессе приспособления к внешним условиям (например, увеличение волосяного покрова под воздействием холода). Однако если это так, то приспособительные свойства, приобретенные за время индивидуального развития, могут становиться наследуемыми".

Вот очень и очень коротко то, что, в сущности говоря, знает сегодня об истоках жизни биологическая наука. Она сейчас находится в поиске, на пути к новым великим открытиям в этой области. Однако и то, что уже открыто здесь на сегодняшний день, самые последние успехи биологии выдвигают, конечно, вопрос о том, что же такое жизнь, а особенно о том, соответствует ли современному уровню знаний известное философское положение Ф. Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей, их внешней природой".

Думается, что знаменитая энгельсовская формулировка в своей общей форме вполне справедлива и на нашем уровне развития биологии. Ее надо лишь уточнить и конкретизировать в соответствии с данными современной науки. Кстати говоря, большинство последних определений жизни, по сути дела, и являются попытками такого уточнения.

Какое же это будет определение?

Вряд ли из него надо исключать упоминание о белке, как пытаются делать некоторые исследователи. Ведь все известные нам в настоящее время живые организмы представляют собой белковые тела. И данное обстоятельство нельзя считать случайным. Далее. Белок, например, катализирует (ускоряет) реакции обмена, активность белков находится в основе процессов жизнедеятельности, обеспечивает главные физиологические функции: питание, дыхание, раздражимость, размножение... Все это говорит о том, что без белков не было бы жизни.

И наконец, несмотря на то что в основе жизнедеятельности помимо белков лежат и нуклеиновые кислоты, последние сами по себе, по-видимому, не обладают свойствами живого объекта.

Однако, как мы уже говорили, теперь известно, что "только" белок, как и "только" нуклеиновые кислоты (взятые изолированно друг от друга), нельзя признать специфическим носителем жизни. Для общего философского определения жизни на современном уровне развития биологии таким носителем сейчас, очевидно, следует считать систему, комплекс белка и нуклеиновых кислот. При этом следует иметь в виду, что и это лишь весьма предположительно. Наука ведь развивается бесконечно, каждый новый шаг биологии обязательно что-нибудь добавляет к нашему знанию о жизни. И безусловно, вопрос о специфическом материальном носителе земных биологических процессов будет решен наукой на основе конкретных исследований.

Точно степень познания сущности биологической формы движения материи в ближайшем будущем трудно предсказать сегодня. Но диалектический подход к исследованию имеющихся фактов включает в себя бесконечный процесс углубления познания человеком вещей, явлений, процессов и т. д. от явлений к сущности и от менее глубокой к более глубокой сущности. В. И. Ленин писал, что "мысль человека бесконечно углубляется от явления к сущности, от сущности первого, так сказать, порядка, к сущности второго порядка и т. д. без конца".

Значит ли это, что философски определять сущность жизни бессмысленно? Вовсе нет. Если такое определение подтвердится научной практикой, то оно будет иметь значение истины. Вполне понятно, это будет истина относительная. Но ведь каждая относительная истина есть частичка истины абсолютной. "Для диалектического материализма, - замечал В. И. Ленин, - не существует непереходимой грани между относительной и абсолютной истиной".. И нет ничего страшного в том, что нынешнее определение субстанции жизни впоследствии окажется недостаточно точным и неполным.

Теперь часто выдвигают в виде возражения предположения некоторых ученых, что в Других частях Вселенной в принципе могут протекать отдельные, весьма необычные, непохожие на наши жизненные процессы. Но и это возражение против общей формулировки понятия "жизнь" нельзя признать действительным. "Отдельное, - писал В. И. Ленин, - не существует иначе как в той связи, которая ведет к общему... Всякое общее есть (частичка или сторона или сущность) отдельного". Факты науки говорят: любой "исключительный" биологический процесс всегда будет иметь какие-то общие признаки с процессом "обычным". Причем эта общность должна быть не только в функциях. Общие признаки обязательно должны быть и у материальных носителей жизни.

Ленинский диалектико-материалистический метод исследования требует объединения принципа единства с принципом развития. Он также обязывает при изучении каждой конкретной системы определять не только ее генезис (то есть изменчивость), но и ее структуру (то есть учитывать ее устойчивость). Вот почему, по нашему мнению, свойства поведения любого живого объекта (в том числе способность получать, перерабатывать и передавать информацию) не могут не зависеть от его структуры, а также от его происхождения и развития.

К жизни - биологической форме движения материи - следует относить лишь те объекты и процессы, у которых существенно совпадают указанные характеристики. Поэтому мы разделяем мнение А. И. Опарина, полагающего, что "эволюцию материи во Вселенной мы можем схематически представить себе как систему расходящихся путей, отдельные ответвления которых могут приводить к очень сложным и совершенным формам движения материи. Но совсем не обязательно любую из этих форм рассматривать как жизнь. Жизнь - это всего лишь одна из многочисленных ветвей развития материи. Ей свойственны свои специфические пути развития".

Итак, что же такое жизнь? Повторяем: по мере углубления познания биологических процессов определение этого понятия неизбежно будет уточняться и несколько видоизменяться. Но на современном уровне науки, как нам кажется, может быть наиболее приемлемым следующее определение: жизнь (биологическая форма движения) представляет собой способ существования открытых (то есть обменивающихся веществом и энергией) нуклеопротеидных систем, обладающих свойствами саморегулирования и самовоспроизведения.

Такая формулировка, данная М. В. Воль-кенштейном, по своему смыслу совпадает со взглядами многих современных авторов, исследующих обсуждаемую проблему. Вместе с тем развивается и конкретизируется формула Ф. Энгельса. Конкретизируется, например, понятие "белковое тело". Оно трансформируется в понятие "нуклеопротеидная система". Сохраняется, только с некоторой "модернизацией", понятие "обмен веществ": добавляются, в соответствии с данными современной науки, понятия "саморегулирования" и "самовоспроизведения".

Представляется, что подобный переход от первого определения ко второму соответствует действительному движению мысли от сущности одного порядка к сущности другого, более глубокого порядка, то есть тому углублению мысли, на которое указывал В. И. Ленин.

Следует в заключение отметить, что мы вовсе не считаем данное нами определение жизни исчерпывающим даже для нынешнего состояния науки, однако полагаем, что оно сейчас наиболее приемлемо.

В. А. Энгельгардт,

академик, Герой Социалистического Труда

На пути к раскрытию тайны жизни

Тех, кто задумывался над тайнами природы, с самых древних времен влекла, а порой и отпугивала своей недоступностью одна из глубочайших тайн в познании мира - вопрос о сущности жизни.

Тысячелетия загадка жизни оставалась прибежищем метафизики, областью верований, а не знания. Жизнь рассматривалась как сверхъестественное и потому непознаваемое явление. Многие авторы, расходясь в мелочах, сходились в утверждении, что живые существа и жизненные процессы не могут быть объяснены в логических понятиях.

Реальное развитие науки, как известно, опровергло все эти вековые заблуждения. Стоит ли напоминать, что раскрыт генетический код, выяснена трехмерная структура белковой молекулы? Это известно теперь и школьникам. В отношении химического состава живых объектов можно сказать, что практически достигнут предел: мы знаем этот состав с почти исчерпывающей полнотой, и вряд ли нас ожидают какие-либо крупные сюрпризы на этом пути.

Теперь задача переместилась в новую плоскость. Нам хочется знать, какую роль играют в живом организме, в осуществлении явления жизни молекулы, каждое из входящих в него бесчисленных соединений. Пожалуй, может быть, лучше это сформулировать в обратном порядке: нам хочется, отправляясь от того или иного характера проявления жизнедеятельности, знать, какие именно виды молекул ответственны за нее, в какой мере она зависит в каждом отдельном случае от химической структуры молекул, от их свойств и форм взаимодействия.

С этой точки зрения наиболее характерным примером специфического участия определенного типа молекул в осуществлении одной из важнейших биологических функций - воспроизведении себе подобных - является роль в организме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Как известно, особенности ее обеспечивают явления наследственности и тем самым все существование бесчисленного множества видов живых организмов, населяющих Землю.

Глубокое познание трехмерной пространственной структуры молекул гемоглобина и зрительного пурпура позволило отчетливо установить, в чем сущность процессов дыхания и зрения. Оказывается, мы можем дышать только благодаря особым свойствам молекул гемоглобина, видеть - благодаря особым свойствам молекул зрительного пурпура. На очереди разгадка чувства вкуса на молекулярном уровне. Уже выделен специфический белок, способный вне организма различать сладкий вкус химических веществ самой разной природы.

В основе механического движения мышц, как известно, лежат особенности молекул сократительных белков и молекул аденозинтри-фосфорной кислоты (АТФ) как носителя химической энергии. Распространение нервного импульса основывается на особых свойствах молекулы ацетилхолина, входящего в состав нервных волокон.

Этого краткого перечисления достаточно для доказательства того, что многочисленные и разнообразные физиологические функции в своей первооснове оказываются обусловленными свойствами тех или иных молекул.

Сами молекулы, как таковые, однако, ни в коем случае не могут рассматриваться как живые. Неудачны поэтому и неправильны такие термины, порой еще встречающиеся в обиходе, как, скажем, "живой белок". Жизнь всегда, даже в самых примитивных своих формах, является результатом какой-то упорядоченной совокупности молекул различного рода, образующих определенную систему той или иной сложности.

Что же такое жизнь? Трудность дать четкий ответ на такой вопрос непосредственно связана с тем обстоятельством, что мы сегодня пока еще не имеем достаточно точного и неоспоримого ответа на вопрос, казалось бы, более простой, который естественным образом должен быть решен раньше, чем может пойти речь о природе жизни: где проходит граница между живым и неживым?

Приведу несколько примеров, чтобы показать возникшие здесь в настоящее время перед наукой трудности. Предположим, случилось так, что у человека отрезана голова. Всякому ясно: человек этот мертв. И тем не менее сердце его, если искусственно пропускать через него кровь, может еще долго биться совершенно так же, как билось при жизни человека. Больше того, как мы теперь знаем, это сердце можно пересадить другому человеку, и тот будет жить. Значит, организм может умереть, но части его оставаться живыми.

Спустимся значительно ниже по уровням биологической организации - к миру микробов - и возьмем одноклеточный микроорганизм. Он живет в условиях кислородного дыхания, но при отсутствии кислорода не погибает, а начинает черпать нужную ему энергию за счет процессов брожения. Клетка эта,, по существу, ведь перестала дышать - жива она или нет? Ответ тут ясен: она жива, но функции живого осуществляются в ней по-иному. Более того, мы можем даже полностью разрушить такую клетку (например, под высоким давлением выжать из нее то, что экспериментатор называет клеточным соком), однако и этот сок будет продолжать расщеплять сахар и образовывать спирт и углекислоту, то есть бродить так же, как это делала живая клетка. Что же полученный сок живой? Ответ и тут как будто ясен: нет, не живой. Вот именно здесь ученые пока еще не уяснили точно: почему же нет, в какой именно момент наш живой объект перестал быть живым.

Всем известно о существовании вирусов. Проникнув в клетку, вирусная частица размножается, в результате чего в большинстве случаев наступает гибель клетки и вышедшие из нее вирусные частицы могут заразить новую клетку. Вне клетки вирусная частица не проявляет ни одного из тех свойств, которые мы считаем обязательными признаками живого: в ней не происходит никаких процессов обмена веществ. Она не дышит, не бродит, не может двигаться, не может размножаться, не реагирует ни на какие воздействия. С полным правом один из крупнейших биологов современности, В. Стенли, охотно охарактеризовал парадоксальные свойства вирусов: в клетке вирус ведет себя как живое существо, а вне клетки он мертв, как камень. Ту же примерно мысль высказал ныне покойный микробиолог Надсон: вирус - это то ли вещество, обладающее свойствами существа, то ли существо со свойствами вещества.

С точки зрения химической природы по своему составу многие простейшие вирусы действительно могут рассматриваться как вещество, ибо они состоят всего из двух компонентов: белка и нуклеиновой кислоты. Формально они могут быть отнесены к хорошо известной химикам категории химических соединений к нуклеопротеидам. Но если так обстоит дело с точки зрения химической, то совсем иначе получается в биологическом плане: вирусы - это не что иное, как внутриклеточные паразиты; а понятие "паразит" неразрывно связано с представлением о живом объекте, существующем за счет другого - тоже живого объекта. В мире неживой природы мы паразитизма не знаем.

Так на всех уровнях биологической организации - от уровня нуклеопротеида, каковым может являться вирус, и до уровня человеческого организма - мы неизменно сталкиваемся с невозможностью однозначно провести границу между живым и мертвым.

Значит, мы подходим к выводу, что на современном уровне наших знаний пока не располагаем таким определением понятия "жизнь", которое охватило бы все стороны явления и объяснило бы его сущность, исходя из первичных, уже известных нам понятий. Вот почему мы сегодня должны оставаться при том общем определении, которое гласит: жизнь - это наивысшая из известных нам форм существования материи, достигнутая ею в процессе эволюции.

При таком определении сразу же возникает вопрос: в чем же состоит более высокое качество этой формы существования материи, в чем эта форма превосходит прочие?

Превосходство, о котором идет речь, выражается в различных аспектах. Многообразие химических компонентов и сложность химического строения подавляющего большинства органических соединений в огромной степени превосходят все, что известно в неживой природе. То же самое справедливо и в отношении динамики, то есть многообразия и быстроты протекания превращений материи. Те уровни, которыми характеризуются живые системы, на много порядков превышают наблюдаемые в неживом мире. Однако, сколь ни важны приведенные признаки, еще гораздо большее значение имеет начало упорядоченности как наиважнейшее качество всего живого. Именно в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого.

Уникальность химического состава, своеобразие условий протекания превращений, которым вещества подвергаются в процессе жизни, - эти особенности и типичные черты живого еще не вступают в конфликт с тем, что мы знаем о явлениях неживого мира, Это различия, но не противоречия. Тенденция к упорядоченности занимает в этом отношении особое место. Здесь живой объект, не нарушая законов, действующих во всей природе, вступает в антагонизм с ними. Можно сказать, что, вместо того чтобы пассивно подчиняться закону природы, жизнь обеспечивает возможность активного противодействия этому закону, подобно тому как, поднимая тяжелый предмет, мы не нарушаем закона тяготения, но противодействуем ему.

Тенденция к упорядоченности, к созданию порядка из хаоса есть не что иное, как противодействие принципу возрастания энтропии, то есть второму закону термодинамики. Отсюда вытекает следствие первостепенной важности: живые объекты должны представлять собой открытые системы, то есть быть способными взаимодействовать с окружающей средой, обмениваясь с ней энергией. Именно этим и устраняется противоречие, порождаемое якобы нарушением второго закона термодинамики: уменьшение энтропии, возникающее в изолированно взятом живом объекте, на самом деле сопровождается ее возрастанием в системе "живой объект - среда", и, следовательно, никакого нарушения второго закона на самом деле не происходит.

Мы можем сказать, что жизнь представляет собой совокупность некоторого числа начал, из которых каждое, взятое в отдельности, не определяет собою жизни, но при отсутствии хотя бы одного из них жизни быть не может.

Во-первых, одним из таких начал является структурная организация. Во-вторых, в основе жизни лежит сочетание трех потоков: вещества, энергии и информации. И хотя эти потоки качественно глубоко различны, они сливаются в некое единство высшего порядка, составляющее динамическую основу жизни. Нуклеиновые кислоты играют ведущую роль в осуществлении потока информации, а поток материи и поток энергии обусловлены свойствами белков, в первую очередь их каталитической активностью.

Именно существование этих трех потоков, как мне представляется, является обязательным условием для того, чтобы решать, принадлежит данная система к числу живых или не принадлежит.

Одним из крупнейших успехов современного естествознания явилось открытие принципа матричного синтеза, который позволил дать конкретное истолкование одного из коренных атрибутов жизни, притом доведенное до уровня молекулярной структуры. Сущность матричного синтеза проста и ясна, но его механизмы необычайно тонки.

Суть этого принципа заключается в том, что новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом (или программой), уже заложенным в структуре существующей молекулы. Роль матрицы играет молекула ДНК. Важность принципа матричного синтеза ясна из того, что он лежит в основе построения обоих главных типов макромолекул, которые мы выше охарактеризовали как обязательные и необходимые материальные компоненты живых систем - нуклеиновых кислот и белков. Мы бы зашли слишком далеко, если бы захотели утверждать, что в матричном синтезе заложена сущность жизни. Но с полной уверенностью можно сказать, что без матричного синтеза жизнь, какой мы ее знаем на нашей планете, не была бы возможна.

Представления о потоках вещества и энергии уже сформировались в основном в предыдущие периоды, а представление о потоке информации - одно из достижений естествознания самого последнего времени. В область биологии проникают воззрения, заложенные в кибернетике, поскольку теория информации служит одной из ее первооснов.

Следует особо подчеркнуть, что информация всегда связана с тем или иным материальным носителем. Вот почему поток информации неразрывно связан с потоками вещества и энергии. И если без потока информации невозможна жизнь, то без нуклеиновых кислот невозможно движение этого потока. Поэтому нуклеиновые кислоты наряду с белками являются обязательными компонентами живых систем.

Итак, говоря словами замечательного современного английского ученого Джона Бер-нала, "жизнь перестала быть мистической тайной, практически говоря, она становится криптограммой, головоломкой, кодом, который можно расшифровать, рабочей моделью, которую рано или поздно удастся создать".

Ученые уже синтезировали в пробирке нуклеиновую кислоту, входящую в состав одного из вирусов. Соединившись со своим специфическим белком, она образовала полноценный вирус. Мы вправе сказать, что если считать вирус простейшей формой живого, то человеком искусственно получена одна половина этого биологического образования (вторая была достроена той клеткой, в которую попала нуклеиновая кислота вируса). Потому-то и можно сказать, что уже пройдена половина пути до синтеза простейшей формы жизни.

Другим эпохальным событием явился синтез гена, то есть части молекулы ДНК, которая способна программировать синтез какого-либо индивидуального макромолекулярно-го вещества.

Продолжая идти этими путями, мы, быть может, получим нечто живое, еще не имея исчерпывающего ответа на вопрос: что такое жизнь? Мне думается, именно таким путем, как бы нарушая последовательность логических этапов, будет сделан шаг решающего значения и для приближения к познанию сущности жизни. Можно не сомневаться в том, что это будет величайший триумф естествознания нашего века.

А. С. Трошин,

член-корреспондент АН СССР

От клетки к молекуле

Составной и существенной частью научно-технической революции XX в. является происшедший переворот в биологии. В познании явлений жизни достигнут огромный прогресс. Биология круто шагнула вперед по пути выявления молекулярных механизмов важнейших процессов жизни, в понимании качественной специфики живого, в выяснении фундаментальных свойств органической материи, необходимого для постижения сущности жизни, для формирования общей ее теории, для расширения прикладных возможностей биологической науки.

Конечно, далеко не все трудности, связанные с научным анализом сущности жизни, преодолены, и это обстоятельство порождает у некоторых зарубежных биологов стремление отойти от материализма, оживить мысль о непознаваемости жизни, о действии в живом нематериальных или "надматериальных" сил и принципов. Так, известный западногерманский биохимик Шрамм считает, что достижения современной биологии принесли доказательства существования в живом фактора нематериальной природы.

"Благодаря молекулярной биологии, - говорит Шрамм, - мы теперь знаем, что при наследовании передается план, каким должно быть сформировано живое существо". Считая открытие генетического кода, с помощью которого в ДНК записана наследственная информация, фундаментальным открытием, Шрамм с пафосом восклицает: "А ведь до сих пор считали, что изобретение и расшифровка кода свойственны лишь человеку!" "Если мы понимаем, продолжает Шрамм, - генетическую информацию как идею, то при рассмотрении живой природы учение Платона об идеях оказывается поразительно верным".

"Подобно идеям, генетическая информация нематериальна, но однако же реальна, как и идея изобретателя, которая хранится в патентном бюро и может быть продана и куплена".

Как видите, Шрамм рассматривает информацию как идеальный фактор, совершенно независимый от своего материального носителя, что, конечно, совершенно ненаучно, так как информация может быть закодирована и передана с помощью самых разнообразных сигналов материального характера, и это вовсе не свидетельствует об идеалистическом харак-тере информации.

Для исследований в цитологии, как и в биохимии, физиологии, биологии и других биологических науках, весьма характерен подход, который носит название редукционизма. Редукционистский подход состоит в том, что познание сложного, составного, целостного, в том числе и клетки, проводится через расчленение сложного на возможно более простые части, которые и являются фактическим предметом изучения. У нас, в цитологии, клетки разрушают с помощью различных весьма изощренных методов, изолируют составные их части оболочку, ядро, органоиды - и изучают их свойства, структуру и функции. Не может быть сомнений в том, что на этом пути цитология добилась выдающихся успехов. Мы теперь знаем очень подробно о структуре и функции мембран, ядра, митохондрий, рибосом, лизосом и т. д.

(Razum06.gif) Микроскоп Р. Гука (XVII в.).

Но нужно не забывать, что целое всегда больше, чем сумма отдельных его частей. Мы хорошо знаем, что свойствами поваренной соли не обладают ни натрий, ни хлор. Точно так же характерные свойства биополимеров, например белков, невозможно предсказать на основании свойств образующих их мономеров. Ясно поэтому, что сведение сложного явления, каким является клетка, к сумме его частей, требует и умения пройти этот путь в обратном направлении, то есть от суммы частей перейти к системе, от расчлененности целого к его воссозданию, от редукционизма к ин-тегратизму. Здесь встают задачи дальнейших исканий цитологии: не отбрасывая редукционный подход, напротив, всячески его совершенствуя, продолжать двигаться в сторону изучения и более высоких уровней организации.

(Razum07.gif) Срезы пробки под микроскопом Гука (первое изображение клетки).

Кстати, сейчас широко распространилось представление о биологической иерархии структур, о разных уровнях организации - субклеточном, клеточном, тканевом организ-менном, популяционном и т. д. Не следует, однако, думать, что, чем выше положение объекта в иерархии, тем он сложнее. Популяция, состоящая из множества индивидуумов, несомненно, гораздо проще каждого из индивидуумов, а такой низший многоклеточный организм, как губка, несомненно, организован проще, чем составляющие его клетки. Это, вероятно, объясняется тем, что путь от начальных примитивных живых форм до одноклеточного организма был куда более длинный, чем от одноклеточной формы до начальных этапов филогенеза. Конечно, на более поздних его этапах - на уровне человека, например, организменный уровень системы сравним или даже превосходит сложность клеточной организации.

(Razum08.gif) Современная схема строения живой клетки.

Возвращаясь к проблеме соотношения редукционистского и интегративного подходов в исследовании клетки, нужно сказать, что если первый из этих подходов принес цитологии большой и общепризнанный успех, то второй путь делает также хотя и самые первые, но уже успешные шаги. В качестве примера можно привести данные о самосборке.

Известно, что многие белки обладают так называемой четвертичной структурой, то есть состоят из субъединиц, которые в подходящих условиях самопроизвольно соединяются между собой с образованием исходной четвертичной структуры. Такой способностью обладает, например, гемоглобин, уреаза и некоторые другие белки. Подобный же процесс самосборки удается наблюдать и на более сложных структурах, например на рибосомах, на мембранах, на вирусах и бактериофагах. Эти структуры построены из разных молекул биополимеров - белков, нуклеиновых кислот, липидов. В рибосомах, например, содержится три разных типа нуклеиновых кислот и около 20 различных индивидуальных белков. В частицу вируса табачной мозаики входит кроме нуклеиновой кислоты более 2000 одинаковых молекул белка. И все эти сложные структуры самопроизвольно собираются из смеси своих составных частей. А недавно известный цитолог Дж. Даниэли описал результаты опытов с самосборкой амеб.

Амебу - одноклеточный организм - расчленили на составные части: оболочку, ядро, цитоплазму. Затем эти компоненты, полученные, разумеется, от большого числа особей, снова смешивали и наблюдали образование заново целых клеток из частей разных индивидуумов: оболочка от одного, ядро от другого и цитоплазма от третьего. Такие "сборные" амебы, по описанию Даниэли, обладают свойственной этим клеткам способностью к движению и размножаются. Следовательно, и на таком сложном организме, как амеба, доказана возможность ее самосборки из составных частей. Однако на пути выяснения свойств интегрированной клеточной системы стоит еще очень много нерешенных вопросов.

Чем больше мы узнаем о структуре клетки и как она работает, тем больше проникаемся мыслью, что самые сложные технические устройства, сконструированные человеком, самые блистательные успехи синтетической химии, самые выдающиеся достижения в области организации производства не идут в сравнение с исключительной сложностью клетки, с поражающим разнообразием, быстротой и эффективностью осуществляемых в ней синтезов, с совершенством ее управления и фантастической миниатюрностью.

Как осуществляется управление этими процессами? Нужно также учесть, что жизнь клетки жестко регламентирована во времени: этапы клеточного цикла четко следуют один за другим, и этим стадиям подчиняется жизнедеятельность клетки. Но как работают эти "клеточные часы"?

В клетке одновременно происходит множество процессов - одни вещества расщепляются, другие синтезируются; происходит заготовка энергетических веществ в запас; заготавливаются материалы, которые потребуются клетке, когда она приступит к делению. Как достигается эта удивительная согласованность всех процессов, как возникает и поддерживается ее целостность? Еще одна тайна - движение веществ внутри клетки и целенаправленные движения самих клеток. Мы знаем, что информационная РНК синтезируется в ядре, но как она переходит из ядра в цитоплазму и как она внедряется в рибосому, остается еще полностью невыясненным. Нужно при этом учесть, что синтезированные вещества перемещаются на расстояния нередко в тысячи раз большие, чем размеры молекул.

В. Я. Александров в своей книге "Поведение клеток и внутриклеточных структур" (М., "Знание", 1975) собрал много примеров целенаправленных движений клеток и внутриклеточных структур. Как осуществляются эти удивительные передвижения, упорядоченные в пространстве и времени, остается загадкой. В. Я. Александров считает, что движения клеток относятся к тому же кругу явлений, которые в процессе эволюционного развития, усложнения и качественного преобразования привели к появлению высших форм поведения животных и человека. На этом основании В. Я. Александров считает целесообразным создание новой науки - цитоэтологии, которая бы использовала для понимания поведенческих актов на клеточном уровне достижения зоопсихологии.

Очень еще мало также продвинута проблема использования наследственной информации. Яйца или клетки раннего зародыша не имеют тех свойств, которые характерны для клеток взрослого организма. У зародыша все клетки очень похожи друг на друга, но по мере развития они начинают различаться между собой. Чем дальше развитие, тем более клетки разнообразны. Во взрослом организме можно насчитать до сотни разных типов клеток - мышечные, эпителиальные, кровяные, печеночные и т. д.

Следовательно, клетки, одинаковые вначале, имеющие одинаковую наследственную информацию, специализируются, или, как принято говорить, дифференцируются. Одни гены работают во все время жизни клетки, другие включаются в определенные моменты, а третьи, видимо, вообще никогда не включаются. Какими силами направляется это развитие, как регулируется деятельность хромосом, еще очень мало понятно, а ведь это очень важно в практическом отношении.

Возьмите проблему злокачественного роста. Нельзя сомневаться в величайшей актуальности и практической важности этой проблемы. Из того, что мы знаем о раковой клетке, можно заключить, что эти клетки утрачивают связь с соседними клетками, размножаются неудержимо, бесконтрольно и образуют опухоль.

Что же удерживает клетки в норме, какова природа той "дисциплины" размножения, которой подчиняются нормальные клетки? Это, очевидно, проблема формирования ткани органа, то есть проблема развития, дифференци-ровки. Раковые клетки легко отрываются от опухоли, попадают в кровь и разносятся по всему организму. Так возникают метастазы, то есть новые опухоли. Это происходит в результате особых свойств поверхности раковой клетки - в отличие от нормальных клеток раковые клетки связаны между собой гораздо слабее. А это происходит в результате изменения структуры и свойств поверхности раковых клеток. Изменения же поверхности клетки есть результат изменения состава ее белков.

Следовательно, идет нарушение синтеза белков в результате нарушения регуляции работы хромосом. Для того чтобы избавить организм от опухоли, ее удаляют хирургическим путем или убивают раковые клетки рентгеновскими лучами или химическими веществами. Но не всегда удается удалить опухоль так, чтобы ни одна раковая клетка не осталась в организме. При облучении рентгеновскими лучами и действии химиотерапевтическими препаратами также нет уверенности, что удастся убить все раковые клетки. А при увеличении доз этих агентов гибнут и нормальные клетки.

Таким образом, ясно, что, для того чтобы понять причины возникновения рака, его природу, найти средства для его предупреждения и эффективного лечения, нужно знать хорошо природу этих клеток. Для решения этой проблемы разработана программа исследований, осуществляемая под эгидой научного совета АН СССР по проблемам цитологии. Для решения ее привлекаются специалисты разных областей знания. Планируется развертывание исследований всего спектра изменений, возникающих в клетке при воздействии канцерогенов и вирусов, изучение иммунохимических и цитогенетических характеристик злокачественных клеток, устойчивости и репарации клеток и клеточных структур. Несомненно, что разработка целенаправленных мероприятий, их ор-. ганизация и координация не простое дело. Но эти задачи уже стоят перед учеными, и на их решение необходимо направить максимальные, хорошо продуманные и взаимно увязанные усилия.

Указать, когда будут достигнуты решающие успехи в этой области, трудно. Прогнозы в науке вообще смущают ученых. Я приведу в связи с этим один пример. В начале нашего века выступил с большой статьей видный физиолог профессор Бунге и, говоря о нерешенных проблемах жизни, остановился на самой великой загадке ее, на загадке наследственности. Бунге сказал так: "Известен факт, что с помощью сперматозоида, от этой маленькой клетки, 500 миллионов которых занимают объем едва ли 1 куб. см, от отца к сыну передаются все духовные и телесные особенности. Я думаю, что многие тысячелетия пройдут над поколениями людского рода, прежде чем только первый шаг будет сделан к разрешению этой загадки". Но профессор Бунге оказался плохим пророком. Для разрешения этой великой загадки понадобились не тысячелетия, а всего 50 с небольшим лет. Так что лучше не заниматься прогнозами, а больше и энергичнее работать.

Д. Г. Кнорре,

член-корреспондент АН СССР

К управлению наследственностью

Четверо из каждой сотни людей рождаются с наследственными болезнями. Болезни эти до сих пор лечатся с большим трудом, а до недавнего времени и совсем не поддавались лечению. Вот, например, фенилкетонурия. В организме больного не синтезируется фермент, перерабатывающий аминокислоту, фенил-аланин. В результате ребенок вырастает слабоумным. Оказалось, что если такого ребенка определенное время кормить пищей, в которой фенилаланина нет, то он вырастает вполне здоровым. А вот дети у него могут родиться больными.

Сравним это со следующей картиной. Завод выпускает машины, собранные по неверному чертежу. Каждую из таких машин можно исправить, но несравненно лучше было бы внести исправление в исходный чертеж. Тогда с заводского конвейера будут сходить бездефектные машины. Так вот, исправлять наследственность на уровне чертежа, то есть на уровне зародышевой клетки, мы пока не умеем. Во многих случаях мы пока вообще не в состоянии помочь такому больному, даже зная причину болезни. Например, распространенная у некоторых африканских народов сер-повидноклеточная анемия (белокровие) объясняется тем, что организм больного производит гемоглобин, отличающийся от нормального всего-навсего одним из аминокислотных остатков. Причина известна, но лечения этой болезни пока нет.

Лишь в самое последнее время наметились пути решения проблемы управления наследственностью. Известно, что наследственная информация записана в молекулах ДНК. Каждый знак генетического кода составляется из нуклеотидов, собранных в определенном порядке.

Но почему именно такая структура определяет данные функции, пока неясно. Носить часы или смотреть телевизор еще недостаточно для того, чтобы уметь разобраться в их устройстве, чтобы понимать, для чего нужны именно данное колесико в часах или данная радиолампа в телевизоре. А тут перед нами молекулярная "машина" клетки, неизмеримо более сложная, чем самое сложное техническое устройство. Мы уже видим, как она работает, но пока еще не знаем, почему так, а не иначе.

Чтобы сделать следующий шаг в познании секретов жизни, нужно связать функцию и структуру каждой детали - молекулы в "машине" клетки. Одни ученые пытаются решить эту задачу, сравнивая молекулы различной структуры. Так, разбирая несколько замков различной конструкции и подбирая свой ключ к каждому из них, можно догадаться, как же эти замки действуют.

Второй путь - более активный - называется методом химической модификации. Если химически изменять каждый участок молекулы, звено за звеном, то можно увидеть, изменение какого звена связано с изменением функций всей молекулы. По характеру этого изменения можно судить о том, какая именно химическая структура определяет данные функции. Если же изменение того или иного звена не приводит к изменению функций, то, следовательно, данный участок молекулы в выполнении этой функции не участвует.

На этот метод сейчас возлагаются наибольшие надежды. Однако не нужно думать, что это очень простое дело. Большинство современных химических реагентов действуют сразу на два или даже на три азотистых основания в молекуле нуклеиновых кислот. А ведь нужно подействовать только на одно азотистое основание, не затронув других (всего их, как известно, четыре).

Многого здесь ученые уже добились. Так, в Институте химии природных соединений АН СССР член-корреспондент АН СССР Н. К. Кочетков и доктор химических наук Э. И. Будовский нашли химическое вещество, которое действует только на одно из азотистых оснований (цитозин). Но и этого оказалось мало. Ведь каждая молекула нуклеиновой кислоты, даже такой сравнительно простой, как т-РНК, содержит большое число одинаковых азотистых оснований (валиновая т-РНК, например, содержит 19 остатков цито-зина). Одинаковые остатки, конечно, неразличимы по своим химическим свойствам, однако, находясь в разных участках молекулы нуклеиновой кислоты, они выполняют, по-видимому, различные функции.

А нельзя ли создать такие химические реагенты, которые будут действовать избирательно - только на азотистые основания, находящиеся в окружении определенных соседей?

Такие реагенты уже созданы. Это небольшие кусочки цепи нуклеиновой кислоты, к которой присоединена активная химическая группа. Напомним, что молекула ДНК состоит из двух спиралей, соединенных водородными связями. При делении клетки эти две спирали молекулы ДНК расходятся, и каждая из них достраивает себе вторую. Как известно, в молекуле ДНК порядок азотистых оснований в одной спирали строго определяет порядок их и в другой, например против аденина может стоять только тимин. Поэтому когда спирали расходятся, то напротив каждого аденина в одной спирали становится тимин в другой, а напротив тимина, соответственно, становится аденин.

Вот этот-то механизм и решили использовать ученые. Если мы имеем, скажем, звено молекулы нуклеиновой кислоты, где подряд стоят три аденина и один гуанин (сокращенно - АААГ), то его найдет химический реагент, в котором активная группа (обозначим ее буквой X) связана с тремя тиминами. При этом наша активная группа химически про-взаимодействует только с гуанином, стоящим рядом с тремя аденинами, и ни с каким другим. Такой химический реагент назвали мутагеном с адресом. Роль адреса выполняет кусочек цепи нуклеиновой кислоты. В нашем случае это три тимина, а мутаген - активная группа, которая, взаимодействуя с данным звеном цепи нуклеиновой кислоты, может изменить наследственность.

Самое важное здесь то, что в данном случае мутация строго определена. Все мутагены, употреблявшиеся до сих пор (рентгеновские лучи, химические вещества и т. п.), вызывали лишь увеличение общего числа мутаций. Среди миллионов бесполезных и вредных мутаций изредка появлялись и полезные, которые и закреплялись в потомстве с помощью отбора. Именно так были выведены разновидности микроорганизмов, которые производят в сотни раз больше антибиотиков (например, пенициллина), чем их прародители.

Кроме создания мутагенов с адресом есть еще один путь, который может привести к управлению наследственностью, - химический синтез молекул нуклеиновых кислот с заданным строением. Изучая функции таких молекул, можно будет установить роль любого их звена, то есть любого гена. Вполне вероятно, что искусственно синтезированные гены удастся вводить в клетки с помощью безвредных вирусов. Когда такая задача будет решена, сначала станет возможным ликвидировать все наследственные болезни, а затем встанет вопрос и об улучшении наследственности человека.

Большие надежды на управление наследственностью возлагаются в последние годы на пересадку генов - методы так называемой генной инженерии. Для этого нужно прежде всего научиться разрезать молекулы нуклеиновых кислот по определенным участкам. Адресованные реагенты позволяют решить и эту задачу. Для этого нужно подобрать группу X так, чтобы она после присоединения в определенном месте к ДНК ослабляла бы химические связи, удерживающие между собой отдельные мономеры. Эта задача также решена: с помощью адресованных реагентов уже удается разрезать на определенные куски большие молекулы ДНК (например, ДНК некоторых бактериофагов). До сих пор в генной инженерии для такого разрезания пользовались только получаемыми из некоторых микроорганизмов ферментами рестрикции. Однако эти ферменты разрезают молекулы ДНК по очень ограниченному набору последовательностей. Адресованные же реагенты позволяют провести расщепление цепочки ДНК по любому желаемому месту - достаточно только изменить адрес.

Л. 3. Певзнер,

доктор медицинских наук

Исследование вещества мозга

В коре нашего мозга от 14 до 16 миллиардов нервных клеток - нейронов. Долгое время внимание исследователей было приковано исключительно к ним, ведь именно нейроны - хозяева всех нервных процессов. При этом упускалось из виду, что большую часть объема мозга занимают "слуги" этих хозяев клетки-сателлиты, или, как их еще называют, глиальные клетки. Их впервые описал в середине XIX в. немецкий морфолог Р. Вир-хов, считавший, что они склеивают, цементируют нервную ткань. (По-гречески "глия" означает клей). Объем всех тел глиалъных клеток в 3 раза больше, чем объем всех тел нейронов. В ряду эволюции животных они появляются очень рано и отсутствуют лишь у совсем примитивных организмов. С совершенствованием организации видов начинает увеличиваться не столько число нейронов, сколько число глиальных клеток, приходящихся на один нейрон.

В ходе развития одного и того же организма с возрастом тоже увеличивается количество глиальных клеток на один нейрон. Их меньше у новорожденных. В юности их число и число нейронов сравнивается, дальше они начинают преобладать. Существует несколько типов глиальных клеток, но у всех тела и ядра гораздо меньше, чем у нейронов. От их поверхности отходят тонкие отростки, и каждый нейрон, за исключением синапсов (мест сближения между разными нейронами), оплетен сетью отростков соседних глиальных клеток. Некоторые из них взаимодействуют друг с другом. Таким образом, они пронизывают всю нервную систему.

Однажды в тканевой культуре совместно выращивали клетки глии и нейроны. Под микроскопом можно было наблюдать, как глиальные клетки делали пульсирующие движения и наползали на нейроны своими отростками, словно щупальцами. В культуре ткани глиальные клетки прекрасно развивались и росли, так как у них есть все необходимое для нормальной жизнедеятельности. Значит, и нейроны, и глиальные клетки вполне самостоятельны. Но при более тонком их анализе выявляются такие различия между ними, которые позволяют сделать вывод об их взаимной зависимости. В процессе эволюции природа создала глиальные клетки как очень удобный механизм, и в настоящее время удалось выявить три основные его функции. Но прежде чем о них рассказать, нужно сказать несколько слов о тех методах, с помощью которых биохимики исследуют глиальные клетки.

Как можно изучать отдельно химию нейронов и химию глии, если в мозгу эти клетки тесно переплетены?

Один из методов - микроманипуляция. Специальным микроскальпелем, микроиглами или микроманипуляторами различной конструкции под стереомикроскопом из срезов нервной ткани можно иссечь тела отдельных крупных нейронов и отделить от них глиальные клетки. Существуют очень сложные и очень тонкие микрохимические методы, позволяющие определять химический состав нейрона и глии даже в столь малых объемах, как одна клетка.

Другой метод - так называемый метод обогащенных фракций. Ткань мозга продавливают через нейлоновые сита, вначале с крупными, затем со все более мелкими отверстиями. Крупные отверстия пропускают нейроны, мелкие - клетки глии. Затем с помощью центрифуги клетки глии отделяют от тех нейронов, которые "проскочили" через первое сито. Различия в весе при центрифугировании позволяют глиальным клеткам двигаться вверх, а нейронам осаждаться на дно пробирок. Таким образом удается получить довольно большую массу фракций тех и других клеток, позволяющих производить любые биохимические определения. Правда, фракции получаются все же обогащенными, с некоторым процентом примесей, и на это приходится делать скидку.

Третий метод называют методом количественной цитохимии. В нем используют микроскопическое исследование препарата не только для визуального наблюдения, но и для спектрального анализа химического состава. Однако приготовление препарата неизбежно искажает исходный химический состав клеток.

Как видим, у каждого из методов есть свои плюсы и минусы. Но все они в комплексе позволили получить верное представление о клетках глии и установить, что по химическим свойствам глия не уступает нейронам, а по интенсивности протекания в ней некоторых процессов даже их превосходит.

Например, поглощение глией аминокислот - тех кирпичиков, из которых строятся молекулы белка, - идет гораздо активнее, чем в нейронах. Зато скорость синтеза белка в нейронах значительно выше, чем в клетках глии. Тогда зачем глии такое большое количество аминокислот? На этот вопрос уже получен ответ, позволивший понять первую ее функцию - трофическую. Глия выполняет роль слуги, подносящего к хозяину (нейрону) необходимые вещества. Нейронам передается часть находящихся в ней макромолекул РНК, белков, глюкозы, органических кислот, кислорода и пр.

Прямо из крови вещества не могут попадать в нейроны, так как они непосредственно не соприкасаются с капиллярами. Многие глиальные клетки оплетают тончайшие сосуды-капилляры, снабжающие мозг кровью. Все необходимое для нормальной жизнедеятельности нейронов вначале поступает в глиальные клетки. Их можно сравнить не только со слугами, но и со сторожами. Как вахтеры в проходной, они пропускают одни, но задерживают другие, вредные вещества, способные отравить или повредить нейроны. Благодаря глии нейроны чрезвычайно устойчивы к токсическим веществам, циркулирующим в крови. Любопытно, что гормоны главным образом влияют на глиальные клетки, заставляя их перестраивать обмен так, что они становятся посредниками между гормонами и нейронами, передавая информацию последним.

Когда нейрон в рабочем состоянии, он вырабатывает электрическую активность. Для этого ему необходимо много энергии. Энергия высвобождается при окислении биологических субстратов нейрона (глюкозы, органических кислот). Ничто так эффективно не дает энергию, как глюкоза. Глия использует для окисления кроме глюкозы и другие субстраты, например уксусную кислоту. При необходимости глия отдает нейронам и часть своей глюкозы. Она может пожертвовать в их пользу и кислород, перейдя сама на бескислородное дыхание. Нейроны мозга поглощают 20 - 25 процентов кислорода, потребляемого всем организмом в состоянии покоя, а вес мозга составляет лишь 2,5 процента веса тела. У детей до четырех лет нейроны поглощают даже до 50 процентов кислорода. Прекращение дыхания всего на 3 - 5 минут приводит к необратимому поражению центральной нервной системы. Поэтому понятно, насколько важна эта функция глии - выручать при необходимости нейроны кислородом и глюкозой.

За последнее время в биохимии появилась новая глава исследований изоферменты. Это разные формы одного и того же фермента, отличающиеся различными видами белковых молекул.

В настоящее время насчитывается более 50 ферментов, у которых доказано существование изоферментов. Благодаря различиям в чувствительности к регуляторным факторам они обеспечивают более тонкую регуляцию обмена в клетке. Так, фермент лактатдегидро-геназа (ЛДГ), с помощью которого нейроны и глиальные клетки окисляют молочную кислоту, может состоять из пяти разных видов белковых молекул. Соответственно все пять его изоферментов встречаются и в нейронах, и в клетках глии. Но в нейронах преобладают те из них, которые способны окислять молочную кислоту в присутствии кислорода, а в глии - те, которые окисляют ее в бескислородной среде.

О трофической функции глии многое было известно уже в начале 70-х годов нашего века, но о других ее функциях стало известно лишь в самое последнее время.

Еще в прошлом столетии выдающийся французский физиолог Клод Бернар сделал верное наблюдение: для того чтобы хорошо приспособиться к внешней среде, организм должен иметь постоянство внутренней среды - гомеостаз. ("Гомеостазис" буквально - постоянный внутренний уровень однородного состояния). Изменения внешней среды меняют параметры внутренней среды организма, но только на время. Потом снова должно наступить исходное состояние. Чем выше организовано животное, тем более совершенны механизмы, обеспечивающие гомеостаз. У низших животных температура тела меняется в зависимости от окружающей среды, у высших есть механизмы терморегуляции, бдительно за ней следящие. Стоит температуре тела у человека повыситься всего на полградуса по сравнению с нормальной, и он нездоров.

В нервной системе механизмы гомеостаза особенно важны. Поэтому раньше думали, что при изменениях функциональных состояний нервной системы химический состав клеток остается неизменным. Но оказалось, что это не так. При возбуждении или торможении нейрона изменяются и химический состав, и активность ферментов, но они быстро возвращаются к норме. В этом очень важную роль играют глиальные клетки.

За последние годы стало точно известно, что при возбуждении нейрона в нем происходит перераспределение и заряженных частиц - ионов. Ионы калия (К+) выходят из нейрона во внеклеточное пространство, а ионы натрия (Na+) входят из внеклеточного пространства внутрь его.

Ионы калия являются как бы сигналом для глиальной клетки. Как только они вышли из нейрона, глиальные клетки, расположенные поблизости, жадно их захватывают, и ионы калия тут же "запускают" в них целый ряд биохимических реакций, позволяющих поддерживать гомеостаз в нейроне. Подобно санитарам психиатрической помощи, глиальные клетки готовят для нейрона "смирительную рубашку", не дают ему разбушеваться, выйти за рамки, приводят к исходному состоянию равновесия. Само поглощение глиальной клеткой ионов калия служит спасением от переполнения этими ионами внеклеточного пространства. При их избытке во внеклеточном пространстве наступает беспорядочное возбуждение соседних нейронов, а нейрон должен посылать только узконаправленный сигнал. Наступает неадекватная реакция - генерализованное возбуждение: страх или даже паника.

Когда нервная клетка возбуждена, в ней увеличивается содержание аммиака. При генерализованных возбуждениях аммиак накапливается сильнее. Аммиак токсичен - он отравляет нейроны. Чтобы этого не произошло, нужны ферментные системы, способные его устранять. Они есть в клетках глии.

От нейрона к нейрону возбуждение передается через нейромедиаторы ацетилхолин и ряд других веществ, в том числе, как было установлено в последние годы, через циклические нуклеотиды. Ферменты, способствующие их синтезу, в основном локализуются в нейронах. Те ферменты, что их расщепляют, преимущественно находятся в глиальных клетках.

Нейрон синтезирует медиаторы и держит их наготове. При возбуждении он выделяет их в синаптическую щель и передает возбуждение на соседние нейроны. Чем сильнее возбуждение, тем больше выделяется нейроме-диатора. Для точной передачи информации необходима кратковременность действия. Поэтому, чтобы медиатор не действовал слишком долго, нужны ферменты, которые его расщепляют. В противном случае произойдет перевозбуждение или даже отравление нервной системы.

Чтобы этого не произошло, должны работать ферменты, синтезируемые в клетках глии. Известны два фермента, способные расщеплять ацетилхолин, ацетилхолинэстераза и бутирилхолинэстераза. Первый синтезируется в нейронах, второй - в глии. Первый активнее, но справляется с расщеплением ацетилхолина лишь тогда, когда последнего накопилось еще немного. Если же ацетилхолина много, происходит "торможение избытком субстрата", и фермент перестает действовать. Тогда ацетилхолин начинает грозить центральной нервной системе разлитым диффузным перевозбуждением. В этих условиях спасает глия, используя второй фермент - бутирилхолинэстеразу, причем, чем больше ацетилхолина накапливается, тем активнее действует глия. Ее фермент не боится избытка ацетилхолина и расщепляет его.

В последние годы было установлено, что некоторые аминокислоты могут претендовать на роль медиаторов. Как уже говорилось, гли-альные клетки захватывают их много, и, возможно, не только для снабжения ими нейронов, но и для предотвращения перевозбуждения нейронов, если в этом наступит необходимость.

Чем активнее работает нейрон, тем интенсивнее идут в нем окислительные процессы - поглощение кислорода и поглощение углекислого газа. Углекислый газ может превращаться в угольную кислоту, и это создаст избыток кислот в нервной ткани. Усиленное окисление глюкозы приводит к накоплению молочной, уксусной, пировиноградной и других органических кислот. Таким образом, активация нейрона создает угрозу сдвига кислотно-щелочного равновесия среды (рН), а постоянство этого равновесия - еще более строгое условие для гомеостаза. Вся жизнедеятельность организма определяется активностью ферментов, а они очень чувствительны к температуре и кислотности среды. Поэтому изменение рН в кислую сторону - это угроза гомеостазу. Для ликвидации избытка угольной кислоты существует фермент - угольная ангидраза, с помощью которой угольная кислота превращается в нейтральные соединения. Они вначале выводятся из клеток мозга в кровь, затем - в легкие и в виде углекислого газа выдыхаются в атмосферу. Активность угольной ангидразы в клетках глии в несколько раз выше, чем в нейронах. Нейрон вынужден потреблять угольную кислоту, а глия заботится 6 том, чтобы его гомёостаз не нарушался.

В последнее время стала вырисовываться и третья, регуляторная (модулирующая) роль глии. Исследования обогащенных фракций глии показали, что ее клетки не только накапливают аминокислоты, но и выделяют их в окружающую среду. Этот процесс очень чувствителен к химическому составу окружающей среды, в частности к ионному составу и к наличию или количеству других аминокислот. Учитывая тесный контакт глиальных клеток и синапсов, можно думать, что прежде всего глия влияет на передачу возбуждения через синапсы.

На крысах проводились опыты по запоминанию новых условий эксперимента. Сначала их научили нажимать левой лапой на педаль, чтобы получить пищу; затем животных переучивали: заставляли вопреки привычке пользоваться правой лапой вместо левой. При этом активация синтеза белков шла одновременно и в нейронах, и в глии, причем в глии были обнаружены белки, которых нет в нейронах.

Так в нейрохимии появилась еще одна, новая глава под названием "мозгоспецифические белки" - о белках, характерных исключительно для клеток нервной системы.

Как известно, набор белков, присущий данному организму, во всех органах однотипен. Однако в нервной системе удалось найти наряду с белками обычными для других органов несколько таких, которых нет ни в одном другом органе, например белок, условно обозначенный S-100, который преимущественно содержится в глии. Именно он накапливался в глии при переучивании крыс. Общее количество белка в головном мозгу крыс - около 200 мг, а на долю белка S-100 приходится не более 0,4 мг. Однако если в боковые желудочки мозга крысы вводили антисыворотки против белка S-100, то это заметно уменьшало способность животных к переучиванию.

В синапсах обнаружили белок, напоминающий сократительный белок мышц. Такой белок имеется во всех тканях, где наблюдаются механические перемещения и пространственные изменения формы. Когда он сокращается или расслабляется, меняется форма и конфигурация синаптических мембран и, следовательно, меняется проведение импульса.

Состояние сократительного белка (сокращение или расслабление) зависит от ионов кальция. Белок S-100 способен активно их захватывать. Накапливаясь в ходе обучения, он начинает все больше и больше отнимать ионы кальция от. сократительного белка. Таким образом регулируется состояние тех каналов, по которым выходит калий и входит натрий. Следовательно, белок S-100, преимущественно содержащийся в глиальных клетках, может оказывать влияние на синапсы, - такова гипотеза. В ближайшие годы основные исследования глии будут посвящены именно этой, третьей ее функции.

Как видим, изучение первого из недавно открытых специфических для мозга белков стимулировало исследования механизма обучения и поведения животных, а третья функция глии поднимает эту "второстепенную субстанцию" до уровня нейронов.

Н. Н. Демин,

доктор биологических наук, профессор

Химизм сна

Прошло уже более 20 лет со времени открытий, заставивших пересмотреть все прежние представления о нашем сне. Было установлено, что сон - это не торможение, а весьма активный процесс, связанный с возбуждением определенных структур мозга. В особенности "быстрый", или, как часто его называют, парадоксальный, сон с быстрыми движениями глаз и электрической активностью мозга, не отличающейся от активности в бодрствовании. После того как эти открытия были сделаны, началось бурное изучение развития механизмов сна. Сейчас исследование этой проблемы разделилось на два основных направления: изучение биохимических механизмов развития сна и выявление тех изменений в нервной системе, которые вынуждают нас спать. В первом направлении уже сделано много глубоких и очень интересных работ. Прежде всего - это результаты блестящих исследований французского ученого Мишеля Жувэ.

Смена различных фаз сна (а также переход от бодрствования ко сну) сопровождается сменой активности нервных клеток - нейронов - в стволе мозга. Передача нервных импульсов осуществляется через синапсы - места соединений между клетками и их отростками - с помощью химических передатчиков - медиаторов. В зависимости от того, какой медиатор выделяется в синаптическую щель, называют данные структуры холинергическими (медиатор - ацетилхолин), серотонинергическими (медиатор - серотонин) и т. д.

Тела нейронов, в которых есть серотонин, находятся в ядрах шва каудального ("кау-да" - хвост по-латыни) отдела мозгового ствола, и от них идут восходящие (к переднему отделу, коре) и нисходящие (в спинной мозг) длинные отростки нервных клеток - аксоны.

Если бодрствование поддерживается норад-реналин- и дофаминергическими нейронами, то переход от бодрствования в фазу медленного сна ["Медленным сном" эта фаза сна названа потому, что во время ее глубокой стадии на электроэнцефалограмме наблюдаются медленные дельта-волны (ритмы электрической активности мозга принято обозначать буквами греческого алфавита).] (с этой фазы всегда начинается сон) - серотонинергическими. Переход от медленного к быстрому сну еще до конца не расшифрован, однако и тут уже есть довольно обоснованная гипотеза. По образному сравнению М. Жувэ, как у хорошего кассира сейф открывается тремя ключами, так быстрый сон, очевидно, зависит от возбуждения трех структур, содержащих ацетилхолин, серотонин и норадреналин. Таким образом, картина нашего сна постепенно начинает проясняться. Становятся понятны механизмы возникновения трех состояний, в которых мы живем: бодрствования, медленного и быстрого сна.

Быстрые движения глаз в быстром (парадоксальном) сне, вероятно, связаны с возбуждением холинергических нейронов. Эта же система, возможно, вызывает и падение тонуса всех скелетных мышц при быстром сне единственном естественном периоде полного расслабления в нашей жизни.

Однако, если сон - активное рабочее состояние, неясно, для чего он нужен. Неясно также, почему эта удивительная работа приносит ощущение обновления и отдыха.

Еще в начале нашего столетия было предложено несколько теорий, объясняющих необходимость сна. Французские ученые Лежандр и Пьерон опубликовали работу, где говорилось о том, что при сне после длительной бессонницы в сыворотке крови, тканях мозга и спинномозговой жидкости собак накапливаются вещества, способные вызывать сон у бодрствующих животных.

Много лет спустя, уже в наше время, американский биохимик Паппенхаймер и швейцарский Моннье сумели доказать, что в мозгу у спящих животных накапливается вещество, способное вызывать медленный сон у бодрствующих. Моннье выделил это вещество в чистом виде из крови кроликов. Паппенхаймер обнаружил в спинномозговой жидкости коз, спавших после длительного лишения сна, фактор-S, вызывающий сон. Вещество, выделенное Моннье, оказалось пептидом, производным девяти аминокислот. Пептид (Моннье назвал его дельта-фактором) удалось синтезировать искусственно. Так было получено естественное снотворное, одинаковое для всех спящих млекопитающих, независимо от того, к какому виду они принадлежат, в том числе и для человека.

Дельта-фактор появляется при сне. Но почему появляется сон? Вызывает ли его это вещество, или появление дельта-фактора - следствие наступления сна? Какие биохимические изменения происходят во сне в клетках мозга? И если происходят, то во время каких фаз: в быстром или в медленном сне (или и в том и в другом)? Для того чтобы получить ответы на эти вопросы, необходимо было продолжать исследования.

Объектом исследований в нашей лаборатории были крысы. Сон у крыс короткий, от 15 до 30 минут, но в общей сложности они спят довольно много. После максимального по продолжительности сна мозг крысы исследовался биохимически.

В стволе мозга наряду с другими есть два скопления нейронов, два ядра - супраоптиче-ское и красное. Исследовали нейроны и гли-альные клетки этих ядер. При стрессовых состояниях из супраоптического ядра выделяются белки гормоны, поступающие в общий кровоток организма. Эти вещества оказывают влияние на активность гипофиза и всей эндокринной системы. Красное ядро тоже обладает высокой интенсивностью белкового обмена, но несет другие функции. Оно не имеет отношения ни к стрессовым состояниям, ни ко сну, а связано со спинным мозгом, мозжечком и корой головного мозга.

Было установлено, что у крыс в естественном сне идет накопление гистоноподобных белков и рибонуклеиновых кислот в клетках глии супраоптического ядра, причем за 10 - 20 минут сна их накапливается на 20 30 процентов больше по сравнению с бодрствованием. В нейронах этого ядра при сне накапливаются рибонуклеиновые кислоты. В то же время в нейронах красного ядра содержание белков несколько снижается.

При лишении крыс быстрого сна результаты получились неожиданные и очень интересные. В то время, когда наступает фаза быстрого сна, падает тонус скелетных мышц. Расслабление начинается с мышц шеи и затем охватывает все мышцы тела. Если крысу посадить на небольшую (5x5 см) площадку, выступающую над водой на 3 - 4 сантиметра, то животное окунет мордочку в воду или даже свалится в нее, как только перейдет в фазу быстрого сна. Очутившись на площадке снова, крыса через некоторое время опять уснет. Сон всегда начинается с медленного сна. Через некоторое время наступит быстрый сон, и все повторится сначала.

Лишение крыс быстрого сна привело к резкому падению уровня белков и в нейронах, и в глиальных клетках мозга. В нейронах оно вызывало количественно даже более резкие изменения, чем лишение обеих фаз сна. Если эксперимент с лишением быстрого сна продолжался более суток, содержание белка в клетках мозга несколько повышалось, затем стабилизировалось, но не достигало исходного уровня. Он восстанавливался лишь тогда, когда животному давали спать в быстром сне.

Аналогичные результаты были получены, когда исследовались другие отделы мозга.

Теменная область коры больших полушарий суммирует сигналы, поступающие в мозг, и образует часть регуляторной системы, определяющей целостное поведение животного. Деятельность этих областей коры отображает общий уровень активности всего головного мозга. В Институте нейрокибернетики Ростовского университета для исследования белкового обмена был использован электрофизиолого-цитохимичеокий метод. По записи электрической активности мозга можно было точно установить, в какой фазе сна находится животное, и с помощью специального устройства, вживленного в мозг, быстро взять на анализ кусочек ткани. (Животное при этом не ощущало боли и не просыпалось.) Метод обеспечивал быструю фиксацию ткани, ее хорошую сохранность и проводился в условиях свободного поведения животного. Анализ подтвердил результаты предшествовавших опытов - при Лишении быстрого сна резко снижалось содержание белка в клетках мозга.

Значение белков в клетках мозга многообразно и определяется уникальными свойствами каждой из 20 аминокислот, входящих в состав белковой молекулы. Широкие функциональные возможности белковых молекул зависят от способности к изменению их конфигурации в ответ на воздействие. Эти изменения обратимы, то есть после того, как воздействия закончатся, молекула белка возвращается в первоначальное состояние. Белки и вся синтезирующая их система играют первостепенную роль в процессах возбуждения, торможения, запоминания и других сторонах многообразной функции нервной системы. Между функциональной сложностью отделов нервной системы и содержанием в них белков имеется определенная зависимость: выше содержание белков в больших полушариях головного мозга, меньше в его подкорковых областях и еще меньше - в спинном мозге. При лишении фаз быстрого сна больше страдали нейроны мозга. Для глиаль-ных клеток оказался более необходимым медленный сон.

Получены и другие интересные результаты изучения биохимии медленного сна. Так, только при медленном сне у людей происходит значительное поступление из гипоталамуса в кровь гормона роста. Эта закономерность не изменяется ни при каких нарушениях смены циклов сна в течение суток. Выход гормона роста в общий кровоток организма говорит об усилении биосинтеза белков в периферических тканях организма. Таким образом, фаза медленного сна нужна для восстановления органов тела, а быстрый сон - для восстановления работоспособности мозга.

Чем выше организовано животное, чем лучше развита его нервная система, тем больше оно нуждается в быстром сне. Рыбы вообще не спят. У них - две формы отдыха: обездвижен-ность с потерей или сохранением мышечного тонуса. У амфибий также нет сна. Его заменяет обездвиженность с сохранением тонуса мышц. У рептилий (пресмыкающихся) можно наблюдать нечто похожее на медленный сон, у крокодилов - наиболее высокоразвитых среди них намечается что-то вроде небольших периодов фаз быстрого сна. У птиц уже хорошо выражен и медленный и быстрый сон (последний, правда, занимает лишь один процент сна) и наблюдается еще одно состояние во сне, которое есть у более примитивных животных - каталепсия (оцепенение). Если у крыс в быстром сне идет накопление белков и рибонуклеиновых кислот в нейронах и глии супра-оптического ядра, то у кур при каталепсии этого нет, содержание белка в клетках мозга у них даже падает. Обездвиженность животных - это отдых пассивный в биохимическом отношении. А быстрый сон - это активный процесс обмена веществ в клетках мозга.

В свое время известный советский биохимик А. В. Палладии указывал, что состояние сна не подразумевает бездеятельности головного мозга и что его активность при этом может и не ослабляться, а направляться на восстановление его функциональной работоспособности. При сне включается механизм повышения обмена глюкозы и других богатых энергией веществ. Причем уровень их использования не менее высокий, чем в бодрствовании.

При длительном полном лишении сна снижается активность окислительных процессов и падает синтез АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), необходимый для обеспечения энергией всех реакций, проходящих в клетках. При лишении быстрого сна содержание свободного гликогена снижается. Более чем на 50 процентов повышается содержание аммиака. Возможно, аммиак является одним из факторов, вызывающих утомление мозга. Нарушения сна могут приводить к заметным сдвигам обмена аминокислот - к торможению биосинтеза белков. При приеме снотворных (так называемых барбитуратов) естественный ритм сна нарушается. Эти снотворные снимают фазы быстрого сна со всеми вытекающими отсюда последствиями, всей суммой нарушений биохимических реакций в клетках мозга.

Попробуем подвести итог сказанному выше. Возможно, в нейрохимическом отношении сон нужен прежде всего для своеобразного ремонта именно белковых структур в клетках нервной ткани, для перестройки тех белковых молекул, которые повреждаются при функциональной активности в течение длительного бодрствования. Это прежде всего нерастворимые структурные белки синаптических мембран нейронов. Структурные белки изменяются, и затрудняется проводимость через синапсы, возникает утомление. При сне они восстанавливаются, и утомление исчезает. Это ответ на вопрос (правда, пока еще неполный и неокончательный): для чего нужен сон?

В. В. Меншуткин,

доктор биологических наук

Математика подтверждает эволюцию

Издавна люди разделили изучение природы на отдельные области знания различные науки. В каждой из наук есть, в свою очередь, почти бесчисленные подразделения на узкие отрасли. И это необходимо, так как при современном объеме информации один не может познать все. Природа же не знает такого разделения - в ней все взаимосвязано. И пока человек не осознает этой связи между различными явлениями природы, он не сможет ею разумно управлять.

Ныне биология стала объединяться с другими науками, казалось бы от нее далекими, - физикой, астрономией, математикой. И это тоже необходимо, чтобы осмыслить закономерности природы.

Тем исследователям, которым посчастливилось одновременно и в достаточной мере знать и математику, и биологию, удалось создать так называемые математические модели биологических процессов. Математические модели оказались одним из интереснейших и увлекательнейших методов познания закономерностей живой природы и обобщения знаний.

Одним из первых математическую модель создал в 1910 г. англичанин Росс. Она отражала динамику зараженности малярийным плазмодием. Позже, в 1918 г., наш соотечественник Ф. И. Баранов создал математическую модель, в которой использовались простейшие дифференциальные уравнения. Модель Ф. И. Баранова описывала динамику численности рыб. Постепенно модели усложнялись и совершенствовались, становились настолько громоздкими, что исследовать их практически было невозможно до тех пор, пока в 1964 г. почти одновременно канадские ученые Лар-кин, Хоустон и мы для решения моделей применили цифровую электронно-вычислительную машину.

При создании математической модели перед исследователем встает ряд сложных проблем: выбор математического аппарата, языка для описания свойств исследуемого объекта, который должен быть в одинаковой степени понятен и для математика и для электронно-вычислительной машины. Любой биологический объект все время изменяет свое состояние. "Единственная постоянная вещь в мире - постоянные изменения", - говорил А. Эйнштейн. И это изменение (динамика) тоже должно найти отражение в математической модели. Исследователь создает несколько вариантов модели, выбирает наилучший, и дальнейшая "жизнь" модели продолжается на электронно-вычислительной машине.

Делать все науки "точными" - вот в чем громадная революционная роль вычислительных машин в истории науки. Математическое моделирование на ЭВМ позволяет количественно изучать сложные системы, а именно сложность объекта и отличает биологию от классической механики.

У нас созданы математические модели, помогающие исследователям изучать жизнь и находить способы для управления различными ее процессами.

Мы привыкли к мысли о материальности окружающего нас мира, в том числе и биологической его части. Но современная наука, в частности кибернетика, утверждает нечто большее - мир не только материален, но и поддается количественному описанию. Перефразируя известное изречение И. М. Сеченова, можно сказать, что все - начиная от блеска далеких звезд, шума океанского прибоя и полета пчелы до первого крика ребенка, вдохновенного танца балерины и творческой мечты ученого - может быть описано количественно, то есть на языке математики. Конечно, от этого "может быть описано" до простого "описано" путь долгий и трудный, но ученому нужна уверенность в том, что, как нет непознаваемых вещей, а есть только еще непознанные, так нет вещей, математических моделей которых принципиально нельзя сделать. "Знать - значит уметь моделировать!" - так сказал И. А. Полетаев на одной из конференций по философским вопросам моделирования.

Математические модели в точных науках - физике, астрономии существуют чуть ли не со времен древних греков и ни в каких ЭВМ для своей реализации не нуждались. А вот для биологии, экономики, социологии необходимы ЭВМ.

В биологии, даже если речь идет о жизни отдельного организма, имеются сотни разных зависимостей.

Предположим, растет какая-то рыбешка в захудалом озерке. Зависит этот рост не только от того, какое время она прожила, вылупившись из икринки, но и от того, какая была температура воды, сколько и какого было корма, много ли было других рыб в озере, каковы были родители этой рыбы и от многого, многого другого. "Много причин - много следствий" - вот чем отличаются неточные науки от точных. "Проклятие многомерности" - так говорят математики.

Однажды потребовалось решить вопрос о судьбе озера - не вымышленного, а существовавшего в действительности, - населенного рыбами, насекомыми, водорослями. Все живое в этом озере связано друг с другом своими особыми связями. Нужно было создать модель этой сложной системы. В такой модели объединяется и обобщается труд многих исследователей - ботаников, ихтиологов, гидрологов, гидрофизиков, зоологов беспозвоночных, энтомологов и т. д. - в общем всех, кто это озеро изучал. На его берегах жили и вели свои наблюдения ученые многих специальностей. Одной из задач, стоявших перед ними, было сделать верный вывод об эксплуатации озера.

Как рациональнее его использовать? Для ловли и разведения рыбы, для создания на его берегах турбазы или для снабжения какого-нибудь поселка?

Объективно и независимо ответ должна была дать ЭВМ, после того как была создана математическая модель этого озера, отражающая в динамике все его особенности, суммирующая наблюдения разных специалистов. Взвесив все "за" и "против", ЭВМ пришла к несколько неожиданному выводу: не трогать озеро, оставить его таким, какое оно есть...

Как-то заметили, что в небольшом водоеме по неизвестным причинам в огромном количестве гибнут мальки. Предположили, что их гибель происходит в результате одной из трех причин: нехватки корма, гибели от паразитов, гибели в результате того, что ими питаются взрослые особи того же вида (в рыбных сообществах известна эта крайняя степень непонимания между "отцами" и "детьми"). Три вероятные причины гибели мальков были выражены математически - была построена математическая модель. ЭВМ, проанализировав все три возможных варианта, ответила, что мальки гибнут от голода.

Так как модель отражала различные сроки развития мальков, то ЭВМ еще показала приблизительно и время, в которое произошла их гибель. Это был вполне конкретный случай, когда модель помогла человеку вмешаться в процесс, происходивший в природе, и подсказала, как и когда можно предотвратить гибель мальков. Наблюдения, проведенные в этом озере, подтвердили верность решения ЭВМ.

Как проверить модель? Действительно ли она соответствует тому, что есть в природе?

Прежде чем начать пользоваться моделью, исследователь устраивает ей жесточайший экзамен. Какое-то хорошо изученное поведение объекта тщательно "скрывают" от модели (то есть просто не используют данных об этом явлении при ее построении), а потом ставят модель в те условия, при которых исследователь уже знает, как вел себя оригинал. Модель считается верной тогда, когда величины, выбранные в качестве контрольных и не использованные при ее построении, удовлетворительно совпадут в модели и в оригинале.

Математическая модель биологического процесса должна "жить" - отражать свойства живого к самовоспроизведению, приспособляемости к изменениям окружающей среды, к эволюции, иначе это не будет модель живого - ведь, согласно классическому определению, она должна отражать существенные черты оригинала. И она действительно "живет", только в модели нервной клетки, например, тысячные доли секунды оборачиваются минутами, а в модели эволюции животных годы - секундами.

Однажды создавалась математическая модель, которая должна была отразить зависимость жизни колюшки от количества корма и других факторов в озере Дальнем на Камчатке. "Ожив" на ЭВМ, эта модель дала удивительный результат - получалось, что колюшка, размножаясь, буквально до отказа набьет все озеро. Этот результат не соответствовал действительности. Пришлось изменить в модели один из коэффициентов - повысить смертность рыбы. После этого все пришло в норму. Оказалось, что и на самом деле в озере Дальнем существует причина, повышающая смертность колюшки и не учтенная нами в первоначальном варианте модели, - кишечный паразит. В естественных условиях этот вредный фактор для отдельных рыб служит на пользу всей популяции - благодаря ему происходит регуляция размножения.

Интересные результаты получились, когда в лаборатории решили сделать две модели. Первая должна была отражать борьбу за жизнь колюшки, вторая осетровой рыбы нерки. Затем было решено "стравить" эти две модели в

ЭВМ, то есть математически представить ситуацию, при которой колюшка и нерка будут бороться за жизнь из-за нехватки корма. Кто из них окажется сильнее? Как они поведут себя в этой борьбе?

Вначале, когда корма было достаточно, обе популяции благоденствовали. Корм убавили - стало меньше и колюшки, и нерки. Когда жить рыбам стало вовсе туго, начались самопроизвольные резкие колебания численности: то рыбы много, то очень мало. Это явление называется "волнами жизни", на него впервые обратил внимание известный генетик С. С. Четвериков в 1915 г. как на важный фактор эволюции. Так чисто качественная теория получила свое количественное подтверждение на математической модели. Когда корма стало еще меньше, колюшка, чтобы сохранить вид, начала жертвовать поколениями: размножаться не каждый год. Когда еще убавили корм - это привело к гибели обоих популяций.

Метод математического, или кибернетического, эксперимента, широко применяемый при моделировании биологических систем, ставит перед математикой несколько непривычную для нее проблему получения нового знания не путем доказательства теорем, а путем обобщения экспериментальных фактов. Моделирование биологических процессов не ограничивается только изучением жизни различных популяций рыб в озерах или заливах морей. Удалось, например, создать модель нервного механизма взлета и посадки саранчи.

Путем моделирования была вскрыта схема связей нервных клеток нейронов в ганглии (нервном узле), заведующем взлетом и посадкой. Представьте, что перед вами транзисторный приемник и вам не разрешили его вскрыть. Вы знаете только, сколько в нем транзисторов, но нужно узнать его схему, не заглядывая внутрь (такая задача в кибернетике называется задачей "черного ящика").

То же и с саранчой - в электронный микроскоп видно, что в ганглии, управляющем взлетом и посадкой, не то пять нейронов, не то семь, но не больше. На модели были перебраны все возможные допустимые соединения нервных клеток, и наконец была получена единственная схема, которая работала точно так же, как живая саранча: коснешься хвоста - немедленный взлет; ножки оторвались от земли, но голова не обдувается встречным потоком воздуха (это не полет, а "провокация" со стороны физиологов!) - крылья взмахнут десяток раз и остановятся (нас не проведешь!). И так всевозможные комбинации. В результате при помощи математической модели удалось увидеть то, что не видно в самый сильный электронный микроскоп, - схему соединения нервных клеток.

Как в процессе эволюции появились специализированные клетки и ткани, как менялась форма тела живых существ на Земле? Математическое моделирование открывает реальные возможности сделать и теорию эволюции количественной теорией. "Дарвиновская теория эволюции должна занять подобающее ей место в точном естествознании" [А. М. Молчанов. Колебательные процессы в биологических и химических системах. Сб. М., 1966, стр. 292 308.].

Изучение процесса биологической эволюции всегда представляет трудность. Ведь непосредственно наблюдать его и проводить эксперименты мы не можем. Опыт, накопленный при построении моделей популяций и сообществ водных животных, позволил при моделировании микро- и макроэволюционного процессов (то есть при моделировании процесса эволюции отдельной особи и эволюции биологического целого вида) учесть не только генетическую, но и экологическую сторону разбираемого явления.

У нас была, например, создана математическая модель эволюционного процесса популяции веслоногих ракообразных Copepoda. В ней в качестве среды обитания модельным животным был предложен участок морского побережья, причем была предусмотрена возможность эпизодического выхода на сушу, изобилующую кормом. В модели могли одновременно существовать до ста видов животных, и начальным состоянием во всех случаях было червеобразное животное с одинаковыми члениками, отсутствием конечностей и панциря и примитивной нервной системой. Предусматривалась возможность воздействия хищ-ников на животных, обитающих в водной среде, и тогда преимущества были у тех, кто обладал жестким панцирем. Наличие развитых клешней также способствовало обороне. Всего в модели учитывалось 48 различных признаков и условий (скорость перемещения животного, факторы гибели или процветания вида, возможные изменения члеников или конечностей, способность ползать по грунту или вести прикрепленный образ жизни и т. д. и т. п.).

Первые эксперименты с разработанной моделью проводились в условиях полного отсутствия хищников, изобилия пищи и постоянства внешней среды. Уже на втором десятке временных шагов исходные червеобразные животные, ведущие планктонный образ жизни, начали переходить к обитанию на грунте. Первым устойчивым эволюционным приобретением у них было появление длинных антенн уже к сотому временному шагу (Т =100). Дальше у них появились жвалы, которые потом превратились в клешни.

Введенное в качестве внешних условий воздействие хищников существенно изменило протекание эволюционного процесса. Наиболее стойким обязательным признаком модельных животных стало наличие жесткого панциря. Удалось построить четыре варианта эволюционного процесса, протекавшие в одинаковых условиях.

В первом темп эволюции был низким и завершился приобретением лишь одной пары ходильных ног, пригодной для перемещения по дну. Во втором темп эволюции - более высокий. У животных появляются антенны ("усики"). Они обеспечивают им высокую эффективность поиска пищи. К двухсотому временному шагу появилась тупиковая боковая линия эволюции: животные с телом, почти спрятанным в раковину. Они вымерли, не выдержав конкуренции с теми, которые обладали ходильными ногами. Третий вариант, как и первый, - с замедленным темпом, но с появлением ко времени Т = 200 двух пар антенн, через значительное время замененных клешнями. И наконец, четвертый характерен тем, что в нем на начальной стадии процесса появилось существенное количество малоподвижных форм, которые вымерли, не выдержав конкуренции со свободно передвигающимися. Те, кто в этом варианте выжил, вышли на сушу и имели не три, а четыре пары ходильных ног.

Несмотря на то что пока не удалось построить эволюционное дерево, а лишь одну его ветвь с очень небольшими, быстро отмирающими ответвлениями, эта работа показала реальную возможность имитации макроэво-люционного процесса уже на современной вычислительной машине. Стремительное развитие вычислительной техники служит залогом того, что в самом ближайшем будущем станет возможным модельное изучение эволюции гораздо более сложных биологических систем.

Так, совместно с доктором биологических наук Б. М. Медниковым нам удалось создать математическую модель эволюции позвоночных животных.

В начале программы, предложенной ЭВМ, в море обитало низшее позвоночное существо, похожее на современного ланцетника, - без черепа, мозга, заботы о потомстве. Предполагалось, что и море, и пресные воды, и суша имели соответствующий запас пищи: растений и членистоногих.

ЭВМ показала, что в результате изменений и отбора из существа, подобного ланцетнику, возникли рыбообразные с челюстями, с хрящевым, а затем и с костным скелетом. Некоторые из них имели панцирь. Те, кто из моря перешел в пресные воды, приобрели иной тип солевого обмена (морские виды в процессе обмена выводят соли, пресноводные - удерживают). По прошествии определенного времени в разнообразных моделях некоторые виды выходили из пресных вод на сушу. Они приобрели ходильные конечности, а в дальнейшем шерстный покров, становились теплокровными и живородящими. Через определенное количество временных шагов появились активные хищники, лишенные хвоста. Передние конечности у них высвободились для иных функций, и они ходили на двух ногах.

Таким образом, машина может проследить путь от ланцетника до австралопитека или какого-нибудь другого отдаленного предка человека. В принципе реально моделирование в машине и той эволюции, которая ведет к человеку. Однако пока машинной памяти недостаточно для того, чтобы имитировать процесс эволюции, который в действительности мог иметь место в биосфере. Лимитирует и ее быстродействие. Ведь для того чтобы произвести оценку всех особей и всех видов биосферы, требуется большое время. Безусловно, ЭВМ будущего, когда объем информации будет на порядок больше, а быстродействие увеличится до миллионной доли секунды, сможет имитировать любую ситуацию, вплоть до появления сознания.

ПОЯСНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕРМИНОВ

Белки - сложные высокомолекулярные вещества, содержащие углерод, водород, кислород, азот, а также обычно серу и фосфор. Один из главных видов химических соединений, имеющихся во всех клетках.

Брожение - расщепление какого-либо органического вещества при помощи ферментов: доставляет клетке энергию для других процессов.

Зрительный пурпур - родопсин - вещество, содержащееся в палочках светочувствительных клетках органов зрения большинства позвоночных.

Вирусы (от лат. "вирус" - яд) - формы значительно более мелкие, чем бактерии, едва превышающие размером некоторые крупные молекулы белков или нуклеиновых кислот. Вирусы можно фотографировать только при помощи электронного микроскопа.

Вирус табачной мозаики - был первым из открытых вирусов. Открытие принадлежит Д. И. Ивановскому (1892 г.). Табачная мозаика - болезнь листьев табака.

Гипоталамус - часть головного мозга, расположенная под зрительными буграми; от гипоталамуса на тонкой ножке свисает нижний мозговой придаток гипофиз. Гипоталамусу принадлежит основная роль в поддержании уровня обмена веществ, в регуляции деятельности пищеварительной, сердечно-сосудистой, эндокринной и других физиологических систем. Он связан большим числом нервных путей с выше- и нижележащими отделами центральной нервной системы. Передние отделы гипоталамуса регулируют поддержание относительного постоянства внутренней среды организма (го-меостаз).

Гипофиз - нижний мозговой придаток, одна из желез внутренней секреции, расположенная под головным мозгом, на основании черепа. Каждая из долей гипофиза (их различают три) выделяет в кровь различные специфические вещества - гормоны.

Каталитическая активность белков - способность белков быть катализаторами. Катализатор не вступает в реакцию и не расходуется во время ее, но регулирует ее скорость.

Мутации - любые наследственные изменения в хромосомах или генах, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Понятие "мутация" резкое, скачкообразное изменение формы - было введено впервые голландским ботаником де Фризом. Мутагены - буквально: "вызывающие мутацию" - это вещества, способные реагировать с определенными основаниями в молекуле ДНК и изменять их свойства.

Нуклеиновые кислоты - органические молекулы-полимеры, построенные из нуклеотидов - сложных звеньев, состоящих из фосфатной группы, остатка углевода рибозы и азотистого основания.

Стрессовое состояние - состояние напряжения, вызванное необычной обстановкой, волнением, страхом, тревогой и т. п.

Ферменты - белковые катализаторы, синтезируемые живыми клетками. Они регулируют скорость и специфичность тысяч химических реакций, протекающих в клетке.

Филогенез - эволюционная история какой-либо группы организмов. Как правило, имеется в виду история развития какого-либо вида.

Цитология (от греч. "цитос" - клетка, "логос" - наука) - наука, изучающая строение, химический состав, процессы жизнедеятельности и размножения клеток.

Энтропия - физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела или системы тел. При всех процессах, совершающихся в замкнутых системах, она или возрастает (необратимые процессы), или остается постоянной (обратимые процессы). Согласно второму закону термодинамики, все процессы в замкнутых системах совершаются таким образом, что энтропия систем увеличивается.

Вместо заключения

Б. М. Кедров,

Академик

О закономерностях развития естествознания

В развитии естествознания можно отметить одну важную закономерность: оно движется вперед не сплошным ровным фронтом, а выдвигая вперед попеременно то одну, то другую из своих отраслей в качестве ведущей, влияющей существенным образом на другие его отрасли и на все его развитие в целом. Такая отрасль науки, выдвинувшаяся вперед в данный период и определяющая собой развитие всех остальных ее отраслей, становится на время лидером всего научного прогресса. Она накладывает свой отпечаток на другие связанные с нею отрасли науки, сообщает им свои масштабы и критерии, передает выработанные ею понятия - словом, ведет их за собой и прокладывает путь для их дальнейшего развития.

Опыт истории естествознания показывает, что, после того как данная отрасль научного знания выполнит функцию лидера всего научного движения, она уступает ее целому комплексу, компактной группе отраслей науки. В итоге одиночный лидер сменяется групповым. По-видимому, роль одиночного лидера как раз и состоит в том, чтобы проложить путь для дальнейшего движения вперед всему естествознанию в целом.

Однако через какое-то время наступает такой момент, когда ситуация повторяется: снова возникает необходимость в том, чтобы одна какая-то вполне определенная отрасль науки выдвинулась резко вперед в качестве одиночного лидера и проложила бы путь для дальнейшего движения всем остальным отраслям естествознания. По выполнении этой ее функции вновь происходит смена одиночного лидера групповым, но уже на гораздо более высокой ступени научного развития.

Возникновение научного лидера и смена одиночного лидера групповым, а группового - снова одиночным придают своеобразный пульсирующий характер процессу развития естествознания. Это первая черта, свойственная процессу научного прогресса.

Вторая черта состоит в том, что процесс развития науки неуклонно ускоряется, а значит, убыстряется и переход ее с одной ступени на другую, более высокую. Соответственно этому быстрее сменяются и лидеры ее. Это означает, что время лидерствования одной отрасли науки или группы отраслей становится все короче, что все быстрее происходит переход от очередного одиночного лидера к сменяющему его групповому лидеру, а потом - к новому одиночному.

Третья черта процесса развития науки заключается в том, что выдвижение одиночного лидера происходит не случайным образом, а обусловливается двумя взаимосвязанными и взаимодействующими факторами: потребностями техники и вообще материальной общественно-исторической практики людей, во-первых, и внутренней логикой развития научного познания, потребностями развития самого естествознания, во-вторых. Именно совпадение тех и других запросов практики и самой науки - определяет, какая именно отрасль науки и в какой именно исторический период становится узловой, ведущей, обусловливающей своим состоянием и развитием движение всего естествознания, всех его отраслей на данный отрезок времени.

О запросах и потребностях практики я скажу дальше. Сейчас же хочется обратить внимание на тот факт, что в процессе познания всегда возникает задача выяснить природу более сложных явлений, связанных с более развитыми объектами природы, стоящими на более высоких ступенях ее развития, исходя из более простых явлений, связанных с менее сложными, менее развитыми объектами природы, стоящими на более низких ступенях ее развития. В идеале познание человека стремится найти самые простые, самые элементарные (при данных условиях, для данного уровня знаний) формы внешнего мира (природы), из которых можно было бы вывести и с помощью которых можно было бы объяснить (понять) остальные явления природы.

В пределах каждой отрасли знания существуют свои наиболее простые, элементарные формы изучаемого предмета, которые в силу своего абстрактного характера выступают как своего рода "клеточки" этого предмета. Если такая "клеточка" найдена, то уже можно ставить задачу раскрыть, как из нее в ходе последующего движения самого изучаемого предмета (и соответственно тех понятий, в которых этот предмет отображается) возникают более сложные его формы.

Именно так, по сути дела, ставится задача и по отношению ко всему естествознанию в целом: для того чтобы объяснить и понять, - а значит, изучить, исследовать - объекты природы, стоящие на различных уровнях сложности и развития, необходимо отыскать то, что лежит в их основе. Тогда изучение этой основы будет способствовать общему прогрессу науки, а та ее отрасль, которая эту основу изучает, сделается на время лидером всего естествознания.

Для иллюстрации сказанного обратимся к истории естествознания, а после попытаемся наметить - разумеется, весьма осторожно и условно - некоторые возможные перспективы. При этом будем все время помнить, что три основные "вехи" времени тут органически и закономерно связаны между собой: настоящее есть закономерное продолжение прошлого, а будущее - столь же закономерное продолжение настоящего и прошлого. Отсюда - возможность прогнозирования, основанного на точном учете и обобщении того, что дала история науки и что дает анализ ее современного состояния.

Хорошо известно, что первым лидером только что возникшего в качестве самостоятельной науки естествознания стала механика. Ее выдвижение в XVII XVIII вв. в роли лидера всего естествознания, которому она придала механический характер, было строго закономерно. Оно вытекало из отмеченного выше совпадения обоих факторов научного движения - материального (потребности техники и производства) и идеального (внутренней логики самого научного познания).

Производственная практика и техника в то время опирались в первую очередь на широкое использование механического движения, способов его передачи (рычаги, блоки и т. д.), механических инструментов и таких сложных механических устройств, как, например, часы и мельница. Ручной труд, мускульная сила человека и животных, а также использование стихийных "сил" природы (вода, ветер) - все это делало необходимым, с точки зрения интересов техники и производства того времени, всестороннее изучение именно механических явлений, открытие их законов.

В XVII в. возникло стремление сводить более сложные формы движения обязательно к механическому, которое якобы исчерпывает их без остатка. Такой подход к явлениям природы, сведение качества к количеству назвали механицизмом. Механицизм явился неправомерной экстраполяцией тех несомненных успехов, которые принесла с собой механика в бытность свою лидером естествознания, причем отголоски его дошли до наших дней. Но за столь явное преувеличение ее собственных возможностей сама механика, разумеется, не несет ответственности, как не отвечает кибернетика за то, что в наши дни некоторые чересчур рьяные ее поклонники объявили ее способной заменить собой полностью даже самого человека с его умственной деятельностью.

Успехи механики в XVII - XVIII вв. были связаны с тем, что она изучала реальную сторону реальных процессов природы - а именно их механическую сторону - и давала в руки ученых способы и средства осуществлять такую задачу. Средневековая схоластика, провозгласившая учение о скрытых качествах, о всякого рода таинственных и неуловимых субстанциях, мешала изучать действительные вещи и их свойства, не давала возможности двигаться человеку вперед в познании природы. Механика впервые позволила не на словах, а на деле раскрывать и познавать реальные стороны реальных вещей. Этим все естественнонаучное знание впервые ставилось на научную основу, поскольку во всех объектах природы, как бы сложны они ни были, имеется механическая сторона и, следовательно, их движение включает в себя так или иначе механическое движение.

К началу XIX в. механика выполнила свою функцию первого одиночного лидера естествознания. Теперь, развивая полученный от нее мощный толчок, рванулись вперед прежде всего химия (атомистика Дальтона, 1803 г.) и биология (эволюционное учение Ламарка, 1809 г.), затем геология (Лайель), органическая химия (начиная с синтеза Велера, 1828 г.), электрохимия (Дэви, Петров, начало века; особенно Фарадей, 30-е годы). Во второй трети XIX в. совершаются три великих открытия в естествознании: создается клеточная теория (Шлейден и Шванн), формулируется закон сохранения и превращения энергии (Майер), появляется эволюционная теория в биологии (Дарвин). Естествознание утрачивает свой первоначальный "механический" характер. Его лидером становится теперь вся совокупность его главных отраслей, в первую очередь химия, физика и биология.

Под знаком этого группового лидера идет научное развитие и в последней трети XIX в., начиная с создания Бутлеровым теории химического строения органических соединений (1861 г.) и открытия Менделеевым периодического закона (1869 г.) и кончая открытиями в области биологии (Мендель, 1865 г.), физики (Максвелл, Герц и др.) и созданием физической химии.

Срок одиночного лидерствования механики можно считать равным 200 годам, срок же для сменившего ее в XIX в. группового лидера оказался вдвое меньше - около 100 лет. Это свидетельствует о том, что процесс научного движения за это время ускорился по меньшей мере вдвое.

Здесь нет возможности более подробно проследить взаимодействие обоего рода факторов при выдвижении вперед всего комплекса естественных наук в XIX в. Укажу лишь на то, что к концу века все явственнее стала назревать необходимость проникновения физики в глубь атома, который до тех пор оставался не преодоленным еще наукой нижним пределом разложения вещества.

В самом конце XIX в. в физике, а через нее и во всем естествознании началась "новейшая революция", как ее назвал В. И. Ленин. Суть ее состояла в том, что наука перешагнула порог, на котором она остановилась в XIX в., порог микромира. Открытия лучей Рентгена (1895 г.), радиоактивности (1896 г.), электрона (1897 г.) и радия (1898 г.) положили начало коренному перевороту во взглядах на материю и ее строение, на ее считавшиеся неделимыми (мельчайшие) частицы - атомы.

Все эти и последовавшие в начале XX в. новые открытия (теория квантов, измерение давления света, теория радиоактивного распада, теория относительности с законом неразрывной связи массы и энергии и другие вплоть до создания Н. Бором в 1913 г. модели атома) носили четко выраженный физический характер. Физика, точнее, атомная и субатомная физика сделалась на этот раз очередным одиночным лидером естествознания. Ее прогресс стал накладывать свой отпечаток на все другие отрасли науки: на химию (учение о химической связи и о химическом сродстве), на макрофизику, астрономию, геологию, биологию. Достаточно назвать только два физических метода, вошедшие в биологические исследования и вызвавшие здесь глубокий переворот, чтобы понять, что в первой половине XX в., особенно во второй его четверти, физика действительно стала лидером всего естествознания.

Речь идет о создании электронного микроскопа и о введении способа "меченых атомов" (радиоактивных изотопов). Оба этих физических метода позволили перевести биологические исследования с клеточного уровня, на котором они велись в XIX в., на субклеточный, а затем и на молекулярный, открывая тем самым пути для изучения самых тонких, интимных сторон процессов жизнедеятельности.

Выдвижение микрофизики (атомной и субатомной) в качестве очередного одиночного лидера было опять-таки продиктовано совпадением запросов обоих факторов развития науки - материального (практики) и идеального (логики развития самого познания). По сути дела, на рубеже XIX и XX вв. стали складываться предпосылки грядущей научно-технической революции. Первым проявлением ее было практическое освоение атомной энергии в начале 40-х годов нашего века. Для того чтобы решить такого рода задачу, необходимо было предварительное широкое (фронтальное) изучение вновь открытого явления природы (радиоактивности), а затем и вообще ядерных превращений. Физика взяла на себя выполнение этой задачи, в решении которой была кровно заинтересована практика, столкнувшаяся с фактором существования нового мощного источника энергии. Без помощи физики практика не могла даже и мечтать подойти к его использованию.

С другой стороны, к этому вела логика развития самого научного познания: после открытия периодического закона химических элементов и создания теории электролитической диссоциации с ее центральным понятием иона (электрозаряженного осколка молекулы) наука вплотную подошла к тому, чтобы от сущности одного порядка (менее глубокой), когда познавались атомы и молекулы, перейти к сущности следующего, более глубокого порядка, проникнуть в глубь атомов, в их внутренние сферы. Благодаря этому только и могла быть раскрыта физическая причина найденной Менделеевым периодичности свойств химических элементов. Атомная и субатомная (в том числе и в особенности ядерная) физика стала, таким образом, узловым пунктом, в котором сошлись, совпали запросы практики и логики развития науки.