40. Современная биология. Будущее биологии в современных науках исследования живого мира.

Современная экспериментальная биология вооружилась новейшими методами, позволяющими проникнуть в субмикроскопический, молекулярный и надмолекулярный мир живой природы. При самом общем рассмотрении истории методов физико-химической биологии можно выделить пять этапов. Нововведения на одном этапе стимулировали переход к следующему. Это обеспечило одновременное и параллельное использование целого комплекса различных методов для раскрытия материальной сущности и механизмов протекания жизненных процессов.

Это методы: метод изотопных индикаторов или метод меченых атомов; методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии; методы фракционирования; методы прижизненного анализа; применение электронно-вычислительной техники.

Современная физико-химическая биология объединила в единый комплекс биологические дисциплины. Традиционное разделение биологии на науки о строении – цитологию, гистологию, анатомию, морфологию, и науки, исследующие физиолого-биохимические процессы – физиологию и биохимию в значительной мере утратило свой первоначальный смысл. В биологии конца ХХ в. обозначилась двойственная тенденция в ее развитии. С одной стороны, объектная и дисциплинарная специализация, вычленение и конкретизация все новых объектов, требующих особых подходов к их изучению. С другой стороны, происходит интеграция биологических наук: тенденция к формированию единого фронта наук, выявить границы между которыми становится все труднее. Однако, необычайное разнообразие форм живой природы – от молекулярной до социально-общественной препятствует полному объединению.

Пути развития теоретической мысли в биологии, поиск таких принципов изучения живой природы, которые с одной стороны дают представление о ее многообразии, а с другой – содействуют интеграции знаний служат предпосылкой к построению теоретической биологии. Это устойчивая тенденция в развитии современной биологии.

Состояние проблемы выработки основополагающих принципов построения единой теории жизни не удовлетворяет биологов, мыслящих не на уровне макромолекулярных систем, а в категориях традиционной биологии. А она исследует жизнь во всей ее сложности и многообразии региональных флоры и фауны, организации сообществ надорганизменного уровня (виды, популяции, биоценозы), целостных родословных (филемы), связанных узами единого происхождения, форм взаимодействия как между самим организмом, так и со средой.

41. Изучение живых организмов с помощью современных методов экспериментальной биологии.

Современная экспериментальная биология вооружилась новейшими методами, позволяющими проникнуть в субмикроскопический, молекулярный и надмолекулярный мир живой природы. При самом общем рассмотрении истории методов физико-химической биологии можно выделить пять этапов. Это обеспечило одновременное и параллельное использование целого комплекса различных методов для раскрытия материальной сущности и механизмов протекания жизненных процессов.

Это методы: метод изотопных индикаторов или метод меченых атомов; методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии; методы фракционирования; методы прижизненного анализа; применение электронно-вычислительной техники.

Метод изотопных индикаторов или метод меченых атомов

Этот метод был предложен вскоре после открытия радиоактивности. Сущность его заключается в том, что с помощью радиоактивных (меченых) атомов, введенных в организм, прослеживается передвижение и превращение веществ в организме.

С помощью этого метода удалось установить динамичность процессов обмена веществ, проследить за их начальной промежуточной и конечной стадиями, выявить влияние отдельных структур организма на протекание процессов. Метод изотопных индикаторов позволяет исследовать процессы обмена в живом организме – в этом одно из его достоинств. С введением метода меченых атомов сформировалась новая наука – динамическая биохимия, исследующая обменные процессы в организме в их динамике. Принципиально новые возможности открылись перед общей физиологией, биохимией клетки, а также медициной. С помощью этого метода был установлен (1930-е г.) важнейший факт – постоянное метаболическое обновление некоторых клеточных компонентов клетки, например, белков и липидов мембран, а также механизм ферментативного биосинтеза белков и нуклеиновых кислот, промежуточный обмен углеводов и жиров и многие важные микропроцессы. В настоящее время ни одно физико-биологическое исследование не обходится без примеения метода меченых атомов.

Методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии

Второй этап в истории методов физико-химической биологии можно связать с началом использования рентреноструктурного анализа (рентгеновских лучей) и электронного микроскопирования. Это позволило исследовать крупные молекулярные компоненты и субмикроскопические структуры клетки.

Рентгеноструктурный анализ оказался весьма эффективным при исследовании структур макромолекул, лежащих в основе жизнедеятельности живых организмов. Он позволил установить строение (двойную спираль) молекул – носителей информации – ДНК и нитевидную структуру белка (1930-1950-е г.). Возможности молекулярной биологии гораздо расширились с применением электронно-микроскопических исследований, позволивших установить многослойное строение оболочки нервных волокон, состоящих из чередующихся белковых и липидных слоев. Появилась возможность расшифровать молекулярную организацию живой клетки и механизм функционирования оболочек-мембран.

Мембранная теория имеет важное общебиологическое значение. Вся структурно-функциональная система клетки имеют мембранное строение. За счет мембран, представляющих многослойную структуру достигается и пространственная изоляция структурных элементов организма.

Методы фракционирования

Среди этих методов прежде всего следует назвать методы фракционирования (разделения) различных биополимеров.

Довольно эффективный метод фракционирования предложил русский биолог и биохимик М.С.Цвет. Сущность его метода заключается в разделении смеси веществ вследствие разной адсорбируемости.

Методы прижизненного анализа позволяют проследить за передвижением в организме различных соединений, не нарушая его жизнедеятельности. Радиоспектроскопия, скоростной рентгеноструктурный анализ, ультразвуковое зондирование, прием оптического сканирования и многие другие современные средства исследования позволяют без ущерба для живого организма определить структурные, а иногда функциональные изменения в организме. Этими методами был исследованы структуры нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Эти методы в настоящее время широко используются в практике физико-химической биологии, взяты на вооружение медициной.

Трудно перечислить все достижения физико-химической биологии: произведен искусственный синтез гена, проведены исследования по расшифровке генетического кода и многие другие. Расшифровка различных видов саморегуляции – также важное достижение физико-химической биологии.

Применение электронно-вычислительной техники

Когда расшифровать глубинные структуры и их изменения не удается с помощью других методов – на помощь пришли томографы – компьютерная аппаратура, позволяющая послойно проанализировать любой орган или клеточный органоид, не нанося ему повреждений. Томографы широко используются в медицине. Экспериментатор получает возможность быстрее синтезировать, анализировать имеющуюся научную информацию.