Теоретическая биология описывает общие законы возникновения существования живых организмов. Она обладает редким правом задавать самые дерзкие вопросы о жизни, искать ответы на них и проводить параллели между химией, физикой, биологией, экономикой и общественными науками. Тем не менее, на заре своего существования в России эта научная область оказалась под запретом и стала смертельно опасной. T&P рассказывают историю развития теоретической биологии в нашей стране и перечисляют ее современные задачи.

77 лет назад все создатели этого материала — от корректора до редактора — после его публикации, вероятно, немедленно отправились бы под арест, а затем — в концлагерь либо на расстрел по 58-й статье УК РСФСР: «контрреволюционная деятельность», «распространение, изготовление и хранение литературы». В СССР эпохи сталинизма «Теоретическая биология» Эрвина Бауэра была опасной книгой, поскольку в 1938 году ее автор был расстрелян вместе с супругой, их малолетние дети — разлучены, отправлены в приемник НКВД и затем в специальные детдома, а весь типаж монографии — уничтожен почти целиком. Ее экземпляры сохранились лишь в некоторых крупных библиотеках и у смельчаков, не побоявшихся хранить у себя книгу расстрелянного автора.

Само содержание «Теоретической биологии», на первый взгляд, похоже, не фигурирует среди основных причин этой трагедии: по мнению исследователей, Бауэров арестовали как венгерских коммунистов, возможных членов 3-го Интернационала. Семья стала жертвой так называемого Большого террора — кампании жестоких массовых арестов и убийств, которая продолжалась в СССР с 1937 по 1938 год.

Тогда по политическим обвинениям, по данным международного историко-просветительского «Мемориал», был арестован 1 миллион 700 тысяч человек.

Принцип Эрвина Бауэра: фундамент синергетики

В 1937-1938 годах теоретическая биология Эрвина Бауэра сама по себе едва ли могла быть опасна для политических процессов, протекавших в советской России. Тем не менее, она оказалась революционно полезной для развития науки, — даже несмотря на то, что, создавая ее, ученый отчасти ошибался в своих взглядах. На тот момент в области естествознания господствовало убеждение, что каждому природному явлению соответствуют особые вещества, — либо даже сами природные явления становятся лишь следствием физических свойств подобных веществ. Эрвин Бауэр, как и многие его коллеги, предполагал, что то же самое можно сказать и о жизни, — и делал вывод, что ей должно соответствовать «живое вещество».

© Regis University

© Regis University

В начале ХХ века таким веществом представлялась биологам «протоплазма» — желеобразная масса, которую они находили в клетках живых существ. Повсюду она выглядела одинаково, а значит вполне могла оказаться искомым носителем свойства «жизнь». «Протоплазма» сворачивалась при высоких температурах, напоминая белки молока, крови и птичьих яиц, так что ее предполагаемый центральный компонент назвали «протеином», стремясь не перепутать его с «обыкновенным белком».

Эрвин Бауэр

Эрвин Бауэр

Эрвин Бауэр хотел исследовать термодинамические свойства «живого вещества», поскольку именно эта область теоретической физики с наступлением XX века оказалась развита больше всего. Он предполагал, что молекулы «живого вещества» — постоянно пребывают в естественном неуравновешенном состоянии, так что ткани увядают без пищи и света — и расцветают с их появлением.

Принцип устойчивого неравновесия, сформулированный Эрвином Бауэром, звучит так: «Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях». Из этого советский биолог делает вывод, что основными свойствами живых систем являются метаболизм, деление клеток, размножение и старение. Это противоречит принципу термодинамического равновесия (то есть, покоя), так что самодвижение живых систем выглядит как его нарушение.

Доказательства Ильи Пригожина: самоорганизация живых систем

Илья Пригожин

Илья Пригожин

Существование устойчивого неравновесия было доказано в 1947 году бельгийским физиком и физикохимиком российского происхождения Ильей Пригожиным. В 1977 за свои работы в области термодинамики он получил Нобелевскую премию по химии. Среди трудов Пригожина были работы по самоорганизации в открытых системах, которые легли в основу нового междисциплинарного направления науки — синергетики. В фокусе ее внимания находятся общие закономерности явлений и процессов в сложных неравновесных системах (физических, химических, биологических, экологических, социальных и других), возникающие на основе присущих им принципов самоорганизации.

Живая система, и впрямь, является открытой (на нее влияет окружающая среда) и до равновесия ей далеко. Каждый живой организм регулярно получает энергию (в случае растений — солнечный свет) и питательные вещества (в случае животных — пищу), использует их для поддержания своих функций и выделяет отходы, которые затем могут использоваться другими системами.

http://botaniq.org/

http://botaniq.org/

Живые системы способны гибко реагировать на изменения среды: например, одноклеточные амебы от голода могут собираться в многоклеточное «тело», которое двигается как единое целое в поисках пищи. При этом амебы в его составе подразделяются на два типа: одни образуют своеобразную ножку, а другие — плодовое тело, внутри которого созревают споры. Затем эти споры рассеиваются, и, если условия благоприятны, из них «рождаются» новые амебы. Ответ открытой системы — одноклеточной амебы — на нехватку питательных веществ приводит к появлению нового уровня организации с согласованным поведением множества отдельных клеток. Вероятно, излишним будет упомянуть, что этот принцип соблюдается и в случае куда более сложных организмов — в том числе людей, которых голод и бедствия толкают на революции и другие согласованные массовые действия.

Самые дерзкие вопросы: чем занимается теоретическая биология сегодня

Сегодня теоретическая биология охватывает все теоретические перспективы, которые так или иначе касаются биологических процессов, и описывает общие законы существования, движения и развития живой материи. В фокусе этой дисциплины — клеточная биология, биология развития, экология, иммунология, изучение инфекционных заболеваний, математическое моделирование и статистика, различные разделы медицины, фитопатология, микробиология, молекулярная биология, биохимия и психология.

Поиск ответов на дерзкие фундаментальные вопросы на границе философии — прямая обязанность теоретической биологии. Как появилась и как эволюционировала жизнь? Почему люди выглядит так, как выглядят? Чем объясняется сложность и разнообразие живых систем на нашей планете? Уникальна ли земная жизнь?

https://www.flickr.com/photos/biodivlibrary/

https://www.flickr.com/photos/biodivlibrary/

Точные определения биологических терминов и описание процесса познания с помощью формальных инструментов — также одна из основных задач теоретической биологии. По своей природе эта область науки является междисциплинарной. Она движется между частным и общим, впитывая крупные идеи из других сфер и развивая их с помощью количественного описания и уточнения. Так теоретическая биология постепенно превращается в масштабную структурную науку об организованных системах, которая обладает редким и ценным правом проводить параллели и отыскивать сходства между физико-химическими, биологическими, экономическими и социальными системами. Возможно, именно она в будущем станет арбитром в решении множества застарелых конфликтов: между креационистами и дарвинистами, уфологами и сторонниками антропного принципа и другими спорщиками. Ведь, в конечном итоге, несмотря на гигантский скачок, совершенный наукой за последние полтора века, мы до сих пор еще не решили большую часть самых захватывающих загадок окружающего мира.

Что такое жизнь? Как животное стало человеком? Может ли это случиться снова: здесь, с другим видом или на другой Земле?