Глава 2. Взаимодействие наук в становлении знаний об атомно-молекулярном уровне мироустройства
Становление знаний об атомно-молекулярной
организации живой природы

Задачей настоящего раздела является анализ историко-логического процесса взаимодействия химии и биологии вместе с взаимосвязанными разделами физики и математики при формировании нового естественнонаучного знания об объектах, природа и функции которых представляют предмет синтеза химического и биологического знаний. Мы можем сразу назвать охарактеризованные объекты — это биополимеры, прежде всего белки и нуклеиновые кислоты.

Вещества более простой организации могут рассматриваться как химические объекты, и изучение их свойств не требует учета их природного (живого) происхождения, так же как системы более сложной организации (клеточные органоиды, клетка, органы и т.д.) есть уже прежде всего биологические объекты с определенными физико-химическими свойствами. Единство молекулярных процессов в живых организмах — от микроорганизмов и простейших до тканей и органов высших животных — в том, что генетическая программа основных процессов, происходящих в живой клетке, представляется структурой и функцией нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, а далее основными исполнителями вещественных превращений в клетке — специфическими полипептидами, или ферментами.

В настоящем разделе наша задача — подняться над историко-научной фактологией и раскрыть характерные пути, логику становления научного знания о веществах белковой природы (прежде всего ферментов) и нуклеиновых кислотах во взаимодействиях биологического и химического знаний. Вначале рассмотрим процессы становления знаний о ферментативном катализе и вместе с этим учения о биополимерах типа белков (полипептидов).

Учение о биокатализе (ферментативном катализе) — важнейший пограничный раздел современной биологии, в сфере которого изучается жизнь на субклеточном (молекулярном) уровне.

Полное развитие учение о биокатализе получило в ХХ в., однако до этого весь экспериментальный и теоретический базис науки о катализе был создан в рамках химической науки (напомним, что катализаторы вещественных превращений и химической, и биологической природы ускоряют химические реакции, которые и без их участия термодинамически возможны в соответствии с изменением энергии Гиббса; поэтому, в частности, катализаторы ускоряют достижение химического равновесия, но не сдвигают его в какую-либо сторону протекания реакции).

В истории учения о катализе, основы которого были развиты в XIX в., показательно то, что изучение феномена ускорения химических процессов в присутствии малых добавок некоторых тел традиционно проводилось в тесной связи исследований процессов ферментативной природы (т.е. с участием биоагентов) и синтетических катализаторов неживой природы. Истоки этой традиции восходят к Я.Берцелиусу. После открытия в 20—30-е гг. XIX в. явлений ускорения химических реакций в присутствии некоторых добавок, в основном соединений платины и других металлов, Берцелиус заметил аналогию между своеобразным контактным действием платины и таким же своеобразным действием ферментов. Он писал: “Мы убедились на опыте, что превращение сахара в углекислоту и спирт, которое совершается при брожении под влиянием нерастворимого тела, известного под названием “фермент”, не может быть объяснено действием, подобным двойному разложению между сахаром и ферментом. Но при сравнении с известными в неорганической природе отношениями оно ни с одним из них не обнаруживает такого большого сходства, как с разложением перекиси водорода под влиянием платины, серебра и фибрина. Является естественным предположить для фермента аналогичное действие” (см.: [Соловьев, Куриной, 1980, с. 189—190]). Таким образом, с именем Я. Берцелиуса связано не только зарождение основных представлений о катализе вообще, но и начало установления одной из важных предметных взаимосвязей химии и биологии — взаимосвязи, объект-предметные области которой были раскрыты в конце XIX — первой половине ХХ в.

С точки зрения вопросов методологии взаимодействия химии и биологии здесь важно учитывать, что Берцелиус только отметил важную для развития естественнонаучного знания аналогию между ферментами и неорганическими катализаторами, но при этом следует иметь в виду, что в то время “ферментом” называли тела неизвестной природы, которые, как мы можем установить с современных позиций, представляли собой клеточную, чаще всего дрожжевую, биомассу, содержавшую комплекс различных биокатализаторов — ферментов в современном значении этого термина (см.: [Шамин, 1971, c. 68]). Хотя Берцелиус прозорливо угадывал возможность протекания в живых организмах тысяч каталитических превращений (см.: [Соловьев, Куриной, 1980, c. 189]), все же на протяжении длительного периода указанная объект-предметная область взаимодействия химии и биологии (биомолекулы типа ферментов с их структурой и функциями in vivo и in vitro) оставалась скрытой. Биологическая (живая) природа дрожжей (“фермента”) долгое время не признавалась видными химиками. В рамках развития традиционной биологической науки биологи подошли к этой проблеме значительно позднее.

При характеристике этой ситуации отмечается: “Характерно также и сопротивление Либиха, Велера, так же как и Берцелиуса, признанию живой природы дрожжей. Берцелиус изменил свою точку зрения через десять лет, Либиху понадобилось для этого тридцать лет” [Шамин, 1971, c. 81]. Такая своеобразная ситуация объективно обусловлена тем, что изучение процессов в присутствии “фермента” было, по существу, изучением химических каталитических превращений.

Взаимодействие химии и биологии в области учения о биокатализе могло войти в исследовательские программы, т.е. в сознательно ориентированные исследования, только при утверждении в системе естествознания знаний о химической и одновременно живой природе ферментов. Становление этих знаний во второй половине XIX в. связано с хорошо известными работами Пастера, Бухнера, Либиха, Бертло и многих других исследователей. Особенно это выразилось в известном споре Пастера с Либихом и Бертло (исторический и методологический разбор этой ситуации (см.: [Шамин, 1971]). Как известно, Пастер видел в процессе брожения (ферментации) результат жизнедеятельности целостных микроорганизмов. Либих, Бертло и ряд других ученых считали, что процесс брожения — процесс химический, с жизнью не связанный. Окончательное экспериментальное разрешение эта проблема нашла в опытах Э. Бухнера, которому удалось показать, что беcклеточный дрожжевой сок может вызвать ферментативный процесс — брожение [История, 1972, c. 469].

Другими словами, стало представляться достаточно обоснованным, что ферменты (или биокатализаторы) есть клеточные вещественные составляющие с каталитическим химическим действием. Для того чтобы подчеркнуть такую специфику ферментов как биокатализаторов и освободиться от прежнего понятия “фермент”, В. Кюне в 1878 г. предложил называть “неорганизованные” ферменты, т.е. ферменты вне живой клетки, энзимами [Быков, 1978, c. 81]. Заметим, что после того, как термин “энзим” выполнил свою функцию в современной науке, термином “фермент” уже, так же как и “энзим”, на равных обозначают биомолекулы с каталитическими функциями в живых организмах и вне их.

Наконец, подходя к рассмотрению ситуации в конце XIX в., следует отметить зарождение нового уровня исследования биокатализаторов — субмолекулярного. В частности, Г.Бредиг, исследовав действие различных ядов, которые, как оказалось, подавляют активность и неорганических платиновых катализаторов, и различных ферментов (биокатализаторов, энзимов), подошел к предположению о наличии у ферментов активного центра, содержащего атом металла, что характерно, как сейчас известно, для многих биокатализаторов. “Я не стану здесь оправдываться от подозрений, — писал Бредиг, — будто я устанавливаю какую-то таинственную связь между металлами и энзимами. Но если необходимо всячески опасаться, с одной стороны, переоценки, во всяком случае, поразительных аналогий, то, с другой стороны, нужно во многих отношениях считать коллоидные металлические золи неорганическими моделями энзимов” (см.: [Арбузов, 1975, c. 64; Бредиг, 1899, 1907]). Так обозначился новый качественный уровень в химической традиции исследования явлений химического катализа и биокатализа, заложенной когда-то в гипотезах Я.Берцелиуса.

Дальнейший прогресс учения о биокатализе во многом связан с развитием знаний (начиная с конца XIX в. и по настоящее время) о белковой природе ферментов и полипептидном строении белков, а также идентификации ферментов как специфических полипептидов — биополимеров (как известно, ферменты представляют собой глобулярные макромолекулы белковой природы).

Ферменты (или энзимы) входят как составная часть в класс веществ с традиционным названием “белки”, или “полипептиды”, если их характеризовать по природе основной химической связи макромолекулы, соединяющей аминокислотные остатки.

При рассмотрении вопроса взаимодействия химии, физики и биологии в этой связи следует также остановиться на анализе историко-логического процесса становления научных знаний о веществах белковой природы. Такой материал нужно рассматривать в качестве дополнительного к рассмотренному выше процессу взаимодействия наук в области энзимологии.

Белки, или полипептиды, — это полимеры, в состав которых входят 22 аминокислоты, связь между которыми осуществляется путем отщепления молекулы воды.

Каждый природный белок, в том числе и глобулярные специфические белки типа энзимов, имеют уникальную аминокислотную последовательность, а также ряд других групп. Белок образует трехмерную структуру — конформацию белка. Типичный белок может содержать до 200 аминокислотных остатков. Структурное и функциональное различия белков практически безграничны. Так, например, белок, состоящий из 50 аминокислотных остатков от 20 различных аминокислот, может быть представлен 2050 молекулярными формами только по первичной структуре (см.: [Баблоянц, 1990, c. 245—246; Иванов, 1982, c. 7]).

Важно учесть, что в XIX в. и начале ХХ в. были установлены достаточно однозначно только два принципиальных качества белков — то, что это вещества химические по своей структуре, и то, что большой класс этих природных веществ обладает биокаталитическими (ферментативными) свойствами. На следующем этапе, т.е. в первой половине ХХ в., базис для дальнейшего прогресса науки о белках и ферментах создавался в органической и полимерной химии. В этой части происходило независимое развитие, а далее — синтез двух направлений в химии. В одном из них, что связано преимущественно с работами Э.Фишера, были развиты представления о пептидном строении белков [Быков, 1978; Иванов, 1982]. В другом показано, что в природе возможны макромолекулярные (полимерные) образования.

Доказательство существования полимерных молекул осуществлено в работах Г.Штаудингера (см., напр., [Попов, 1989; Притыкин, 1991, c. 95]). Здесь мы можем видеть, как происходят интеграция и синтез научных знаний, получаемых в различных направлениях. Так, химическое изучение пептидов позволило идентифицировать белки как вещества пептидной структуры. Исследования в органической химии привели к обоснованию принципиальной возможности существования полимеров (макромолекул). Эти знания соединились в конечном итоге в новой области пограничного знания, которую можно назвать биофизикохимией белка.

Дальнейшее развитие учения о белках и ферментах пошло в двух основных направлениях: изучение физико-химическими методами строения ферментов (белковой части — апофермента, небелковой — простетической группы) и изучение функционирования ферментов в системах живых клеток и модельных искусственных условиях вне живой клетки. Понятно, что решение таких задач потребовало интеграции и синтеза многих специально-методологических, теоретических и экспериментальных знаний физики, химии, математики, биологии и всех их смежных областей: молекулярной физики, органической аналитической и синтетической химии, микробиологии и многих других. Все это привело, в частности, к переходу исследований белка от расшифровки химической структуры к изучению пространственного строения (от первичной структуры ко вторичной, третичной, четвертичной), а также химическому синтезу первых природных аналогов (см.: [Иванов, 1982; Попов, 1989]).

Второй важнейший класс природных объектов, составляющих пограничную предметную область химии и биологии — нуклеиновые кислоты, а точнее ДНК и РНК — биополимеры, химические по строению, но обладающие, помимо химических, специфическими биологическими свойствами, прежде всего свойствами хранения и передачи информации.

В этой части я также буду преимущественно находиться на уровне дескриптивной методологии, т.е. первичного уровня рефлексии методологической проблемы взаимодействия наук на стыке историко-научных и философско-методологических знаний. Отмечу сразу, что в историческом и методологическом плане процесс познания нуклеиновых кислот сходен с процессом познания белков и ферментов. Так, в случае изучения белков и ферментов на некотором этапе шло развитие химии белка и полипептидов, параллельное с развитием учения о биокатализе, учением о веществах полимерной структуры, что нашло свое явное отражение в синтезе знаний, обобщаемых в современной науке о белках и ферментах. Так же и в случае науки о нуклеиновых кислотах вначале изучались нуклеиновые кислоты как составляющие живых организмов, выделяемые из клеточного ядра и дающие кислую реакцию, без ясного представления об их химической структуре и биологических функциях.

Параллельно с этим шло развитие генетики — от общих феноменологических знаний традиционной генетики к хромосомной теории и затем к молекулярной биологии с учением об основном носителе генетической информации — нуклеиновых кислотах.

В 1869 г. Ф.Мишером были выделены нуклеиновые кислоты, которые он назвал “нуклеином”. Как пишет Г.В.Быков, “сначала нуклеин считали, вследствие того, что его не удавалось хорошо очистить от белка, фосфорилированным альбумином (т.е. белком. — В.К.), и, действительно, первоначальный нуклеин Мишера представлял собой нуклеопротеид, т.е. соединение нуклеиновой кислоты с белком, но в 1872 г. Мишер получил нуклеиновую кислоту, как показывают данные его анализов, практически свободную от белка, и в 1874 г. он пришел к выводу, что нуклеин — своеобразное вещество, отличающееся от белков. Мишер также установил, что нуклеин представляет собой многоосновные кислоты. Самый термин “нуклеиновые кислоты” вместо названия “нуклеин” был предложен Альтманом в 1889 г., которому наука обязана общим способом выделения нуклеиновых кислот, свободных от белковых примесей” [Быков, 1978, c. 198].

Обратим внимание на то, как вместе с обогащением научного знания происходит и обогащение языка науки. Сначала некоторое вещество, названное в соответствии со своим происхождением (выделялось из клеточных органоидов — ядер с неизвестными пока биологическими функциями), в результате химических исследований получает название “нуклеиновая кислота”. В дальнейшем, вплоть до настоящего времени, этот термин сохраняется, но происходит непрерывное обогащение его содержания.

На рубеже XIX—XX вв. в составе нуклеиновых кислот были открыты пуриновые и пиримидиновые (азотистые) основания: аденин, тимин, гуанин, цитозин, урацил. При этом был установлен важный факт, что аденин и тимин, а также гуанин и цитозин входят в состав нуклеиновых кислот в эквимольных количествах. В 20-е гг. в составе нуклеиновых кислот были идентифицированы сахара, в частности дезоксирибоза. С этого времени (но все так же пока в рамках химии) начинается изучение нуклеозидов — гликозидов, образованных с одним из оснований, входящих в нуклеиновые кислоты [Быков, 1978, c. 199]. Существенно отметить, что эти важнейшие для современной молекулярной биологии, генетики и генетической инженерии знания получались в результате свободного творчества химиков вне каких-либо программ, определенным образом связанных с генетическими исследованиями и какими-либо социальными заказами.

Дадим краткое описание генетических исследований до их взаимодействия с названными выше химическими исследованиями. Так, после известных работ Г.И.Менделя в 1888 г. В.Вальдейер предложил для ядерных органоидов термин “хромосома” [История, 1975, c. 298—299]. В начале ХХ в. в комплексе работ различных ученых было показано, что передача генетической информации происходит с участием хромосом. Начало хромосомной теории наследственности связано с работами В.Сэттона и Т.Бовери (см.: [История, 1975, c. 303]). Обратим внимание на то, что хромосомная теория наследственности возникла в результате применения познавательного подхода (принципа, метода), названного нами “методом контрредукции” (см. соответствующий раздел ниже). В данном случае высшие свойства некоторого элемента в системе, а именно хромосом в живом организме, познаются при исследовании этого элемента не изолированно, а в составе более высокоорганизованной системы — организма как целого. Соответственно описанные выше химические исследования нуклеиновых кислот можно рассматривать как формирование научной базы для обеспечения функционирования дополнительного метода — метода редукции.

Для выявления предметной области, в которой взаимодействие химии и биологии стало бы происходить в явном виде, необходим был еще один этап — установление основного молекулярного компонента хромосом. Здесь показательно выделить такой любопытный факт, как опора на естественнонаучное знание и соображения, проистекающие из математической теории информации, привела к ошибочному предположению. Так, на протяжении длительного времени в первой половине ХХ в. белки считались наиболее вероятным носителем генетической информации. Было естественно предполагать, что последовательность из 22 аминокислот может кодировать значительно большую информацию, чем последовательность из 4 азотистых оснований нуклеиновых кислот. Как известно, общие представления о коде записи генетической информации на молекулярном уровне были высказаны Э.Шрёдингером еще в 30-е гг. Выявление объект-предметной области для явного взаимодействия химии, физики, математики и биологии произошло в результате синтеза описанных выше направлений развития знания в 40-е гг., выразившегося в дисциплинарном (а отсюда и осознанном научным сообществом) направлении — молекулярной биологии.

Этапными для становления молекулярной биологии были следующие открытия. В 1944 г. американские исследователи О.Эвери, К.Мак-Леод и М.Мак-Карти показали, что выделенные из пневмококков молекулы ДНК обладают трансформирующей активностью. После гидролиза этих ДНК дезоксирибонуклеазой их трансформирующая активность полностью исчезла. Тем самым впервые было убедительно доказано, что генетической информацией в клетке наделены именно ДНК, а не белок [История, 1975, c. 451]. За этим последовало различение генетических функций нуклеиновых кислот и белков в так называемом центральном постулате молекулярной биологии, сформулированном первоначально Ф. Криком, в котором утверждается, что генетическая информация передается от нуклеиновых кислот к белкам, но никогда не передается от белка к белку или от белка к нуклеиновой кислоте.

Как хорошо известно, в 1953 г. Д.Уотсон и Ф.Крик на основании данных рентгеноструктурного анализа в сопоставлении с данными химических исследований и правила Е.Чаргаффа о равенстве относительного содержания двух пар оснований А-Т и Г-Ц для молекул ДНК предложили гипотезу, согласно которой молекула ДНК представляет собой двойную спираль, образованную двумя полинуклеотидными цепями. На основании этой гипотезы было объяснено деление и размножение живых клеток как результат удвоения молекул ДНК. Приведенные выше описания я не всегда сопровождал выделением момента взаимодействия химических и биологических знаний при раскрытии объект-предметной пограничной области, связанной с природой и функциями нуклеиновых кислот. На дескриптивном уровне методологического исследования они достаточно очевидны. Заметим только, что кодирование аминокислот именно триплетом нуклеотидов предполагалось с привлечением соображений теории информации. Так, предположение, что одна аминокислота кодируется одним нуклеотидом приводит к выводу, что ДНК может кодировать только 4 из 22 известных аминокислот, входящих в состав живых организмов. Если кодирование производится двумя нуклеотидами, то 42=16, т.е. имеется возможность кодировать только 16 аминокислот. Для трех нуклеотидов имеем емкость кода уже 43=64, т.е. вполне достаточную и избыточную для кодирования известных аминокислот. Естественно было предположить, что экономичное устройство живых организмов в материальном (конструктивном) и энергетическом смыслах не позволяет ожидать избыточного кодирования одной аминокислоты четырьмя нуклеотидами. Как известно, Ф.Крику удалось экспериментально доказать, что каждая аминокислота закодирована триплетами нуклеотидов.

Интересно также, что база физико-химических знаний в области молекулярной биологии позволила чисто теоретически предположить существование такого молекулярного компонента, как транспортная РНК, т.е. агента, осуществляющего кодовое соответствие между кодоном информационной РНК и аминокислотой. Именно учет того, что последовательность трех нуклеотидов по пространственным размерам значительно больше аминокислотной (для чего нужно предварительно знать химическую структуру кодона и его физические, в данном случае пространственные, размеры) позволило Ф. Крику постулировать наличие “переводчика” 4-буквенного языка нуклеиновых кислот на 22-буквенный язык последовательности аминокислот — молекулы, названной “транспортной РНК” и обладающей двойной специфичностью: к соответствующим аминокислоте и кодону. Впоследствии транспортная РНК (т-РНК) была найдена в экспериментальных исследованиях. В методологическом плане этот факт очень важен тем, что в истории взаимодействия химии и биологии т-РНК — пожалуй, первый молекулярный (химический) компонент, существование которого в природе было вначале предсказано на основании теоретических соображений.

Как видим из предыдущего материала, обычный историко-логический процесс познания структуры и функций какого-либо биокомпонента разворачивался в обратном порядке — препаративное выделение соответствующего компонента из живых организмов, изучение его химических свойств и структуры и установление в дальнейшем его специфических функций в системах метаболизма живой клетки.

Таким образом, в данной части на уровне дескриптивной методологии я показал раскрытие объект-предметной области взаимодействия химии и биологии в историко-логическом процессе взаимодействия химического, физического, биологического и математического знаний. Здесь получена, как представляется, достаточно ясная картина становления знаний о таких природных объектах, как белки и нуклеиновые кислоты, и их специфических химических и биологических свойствах.

Важно отметить появление в последние годы нового направления развития интердисциплинарных инструментальных аналитических методов как результата взаимодействия физики, химии, биологии. Речь идет об интенсивной разработке методов ферментного и иммуноферментного анализа и их физическом аппаратурном оформлении — биосенсорах. Понятно, что создание таких методов было определено развитием учения о белках и ферментах. Биосенсоры представляют собой аналитические устройства, в которых высокоселективное взаимодействие биоагента (фермента, иммунного тела, клетки микроорганизмов, клеточного органоида) преобразуется во вторичный аналитический, как правило электрический, сигнал. Важность этого направления выражается в том, что ему посвящены специальные разделы реферативных изданий и материалы научных форумов в области биохимии, особенно инженерной энзимологии, где выделяются проблемы разработки и практического использования биосенсоров в химии, биологии, медицине, мониторинге окружающей среды.

В продолжение к сказанному представляется интересным проследить историко-логический процесс взаимосвязи химии и биологии в тех областях, где химические методы, химические знания применяются к исследованию целостных живых систем, т.е. систем, где рассмотрение химических молекулярных аспектов составляет только один из аспектов системного рассмотрения данных объектов. В этом плане можно остановиться на вопросах взаимодействия химии с физиологией и аграрными науками. Я не буду специально рассматривать здесь данный вопрос, освещенный нами в некоторой степени в книге [Соловьев, Курашов, 1989, c. 101—132].

1, 2