Методологические принципы биотехнологии. Монография

на среде, содержащей любое из веществ, которое он не способен синтезировать, т. е. одно из веществ, расположенных в цепи метаболизма после поврежденного фермента» [48].

Еще раз поясним различие методологических регуляторов, определяющих направление и характер творческой деятельности в зависимости от ее этапов:

1)на этапе фундаментальных исследований в базисных науках целью является познание природы как таковой (духовная цель);

2)на этапе научных исследований в базисных науках, ориентированных на выполнение заказа «биотехнологического свойства», имеем практическую цель, что приводит к другим ценностным (аксиологическим) ориентациям при постановке задачи и отборе результатов, здесь главное – не познание, а результат;

3)на уровне технологических и инженерных реализаций практическая цель абсолютно доминирует.

Мы исследовали логическую сторону движения развивающегося знания. К примеру, замеченная Г. Бредигом аналогия в действии ядов на

металлические катализаторы и ферменты логически подвела его к мысли о существовании активного металлического центра у ферментов. Экспериментальный факт потери активности ферментов при высокой степени их очистки, с одной стороны, поставил под сомнение белковую природу ферментов, а с другой – привел к открытию двойственности их структуры: наличию апофермента и простетической группы. Это примеры историко-логического процесса становления нового знания.

Важно различать чисто описательную историю науки и историю науки, которая содержит методологический анализ ключевых событий становления нового знания. Так, если мы скажем, что в 1950-х гг. была открыта двойная спираль ДНК, – это будет примером фактологического подхода, а если мы входим в исторический анализ и рассматриваем то, что данное знание возникло на основе предыдущего знания об эквимолекулярном количестве в молекулах ДНК оснований А и Т, Г и Ц и данных рентгеноструктурного анализа, показывающих периодичность структуры ДНК через определенные расстояния, – это уже пример ис- торико-методологического похода.

Приведем другой пример. Когда мы констатируем, что в 1860-е гг. А. М. Бутлеров создал теорию химического строения и вывел структурные формулы химических соединений – это будет хронологический фактологический подход. Если же мы обращаем внимание

21

на предшествующее открытие изомерии, которое стало основой логического вывода о том, что не только состав, но и расположение атомов в молекуле обусловливает особенность ее химических свойств, – это уже будет ситуация становления нового знания в результате историкометодологического похода. Так же была открыта и стереоизомерия – как объяснение различных химических свойств у молекул с одинаковым расположением атомов.

2 . 3 . В з а и м о д е й с т в и е б и о т е х н о л о г и и с д р у г и м и о б л а с т я м и з н а н и я

В данном параграфе рассматриваются взаимодействие различных областей знания и взаимообусловленность их развития; проводится ис- торико-научный анализ становления биотехнологии и смежных областей; конкретизируются понятия «прикладное знание» и «фундаментальное знание».

Любая область технического знания представляет собой поле взаимодействия различных наук: естественных, технических (инженерии и технологии), общеметодологических, науковедческих, экономических. В полной мере это относится и к биотехнологии, в которой одним из центральных и наиболее острых является вопрос о соотношении фундаментальных и прикладных знаний, фундаментальных и прикладных направлений исследований.

Понятия «фундаментальное исследование» и «прикладное исследование» не являются полярными, противоположными по смыслу, если их рассматривать по таким составляющим, как предмет или метод исследования. Показательный пример: прикладные исследования тепловых машин привели к получению фундаментального знания – второго начала термодинамики и, наоборот, фундаментальные исследования генетического кода – к становлению генной инженерии – основы современной биотехнологии. В истории науки таких примеров очень много.

Но есть одно важное «но», если учесть основные составляющие любой научной дисциплины: предмет–метод–цель. В этом случае фундаментальные исследования и прикладные исследования могут быть различными по смыслу, если в смысловое поле включить не только предмет и метод, но и цель исследования.

22

Ошибочное разделение фундаментальных и прикладных исследований проистекает из того, что часто в области прикладной инженернотехнической деятельности фундаментальные знания не используются или используются незначительно. Также в области фундаментальных исследований многие разделы нового знания не находят реального прикладного применения.

Методологический анализ вопроса показывает, что разделение исследований на фундаментальные и прикладные может основываться не на различии предмета и метода (они могут и совпадать), а на различии цели исследовательской деятельности и соответствующих ей ценностных ориентаций. Цель чисто фундаментальных исследований – получение нового знания о мире с элементами «вечности», непреходящими компонентами; цель чисто прикладных исследований – только практический результат, удовлетворяющий социальный заказ.

Таким образом, выбор путей реализации исследовательской деятельности и отбор результатов исследований в фундаментальных исследованиях регулируются такими ценностными критериями, как истинность, точность, соответствие имеющейся системе достоверного знания. В прикладных исследованиях регуляция осуществляется другими критериями: потребительскими качествами и технико-экономиче- скими характеристиками (технологичность, стоимость, надежность).

Последнее обстоятельство часто приводит к тому, что в прикладных исследованиях предпочтение отдается эмпирическим методикам, опытным рекомендациям и правилам, случайно обнаруженным взаимосвязям параметров, то есть не фундаментальным, а сиюминутным, или преходящим, знаниям, если они дают возможность в краткие плановые сроки выполнить социальный заказ.

2 . 3 . 1 . В з а и м о д е й с т в и е х и м и и , х и м и ч е с к о й и б и о т е х н о л о г и и

Явление взаимодействия химии, химической и биотехнологии на длительном историческом этапе очевидно. При этом историко-логиче- ский анализ этого явления необходим потому, что теоретические познавательные принципы недоступны на уровне восприятия одних только явлений.

23

Биотехнология как специфическая область практической деятельности, базирующаяся на получении полезных продуктов на основе использования биологической активности живых организмов, существует

сдревнейших времен.

Всвою очередь белки, жиры, углеводы, ферменты и нуклеиновые кислоты – главные молекулярные агенты живых организмов и, соответ-

ственно, биотехнологических процессов стали известны только в XIX в. Позднее было установлено, что белки – это макромолекулы на основе полипептидов, часть из которых представляют специализированные белки – ферменты. Жиры – это полностью замещенные сложные эфиры глицерина (триглицериды), входящие в класс липидов; углеводы – это моно- и полисахариды, которые также являются продуктами фотосинтеза и, соответственно, исходными соединениями для биосинтеза аминокислот, жирных кислот и др.

Именно эта новая история XIX в. дает материал для изучения активного взаимодействия химии, химической и биотехнологии. В настоящее время продолжает активизироваться процесс взаимодействия этих отраслей в таких областях, как иммобилизация клеток и ферментов, создание новых биоагентов генно-инженерными методами, усовершенствование и цифровизация работы биореакторов и технологических решений, разработка новых конструкций аппаратов биотехнологических производств, расширение фронта исследования в медицинской, экологической и сельскохозяйственной биотехнологии.

Взаимовлияние и взаимодействие химии и биотехнологии в наибольшей степени проявляется, пожалуй, в области инженерной энзимологии, где химические и биотехнологические знания вместе с их промышленными реализациями взаимообусловлены. Так, известны методы повышения эффективности биосинтеза ферментов и их модификации белковой инженерией [13], иммобилизация [41], введение химических стабилизирующих добавок. Если, например, взять такую проблему инженерной энзимологии, как стабилизация ферментов, то в ней мы обнаружим взаимодействие разнообразных биофизико-химических знаний – поверхностных явлений, ферментативной активности, термостабильности и др.

Здесь целесообразно перейти к рассмотрению обратного влияния «новой биотехнологии» на традиционную химию и химическую технологию. Во-первых, отметим развитие традиционного направления получения биотехнологическим путем химических соединений: спиртов, ор-

24

ганических кислот, антибиотиков, ферментов и многих других. Эти соединения, в свою очередь, могут включаться в процессы химической технологии. Во-вторых, первостепенное значение приобретают научные исследования по выделению и трансформации химических соединений биологически активными агентами с высоким уровнем специфичности и экономичности. В настоящее время многие химические превращения можно осуществлять с применением целостных клеток, изолированных ферментов и ферментных комплексов (этот вопрос уже обсуждался нами при рассмотрении биологического идеала в химии и химической технологии).

Уже с прошлого столетия довольно успешно проходят исследования по осуществлению ферментативных превращений в неводных растворах и по сохранению активности ферментов в органических средах (которые обычно оказывают необратимое денатурирующее воздействие). В этом случае используется стабилизация методами иммобилизации на носителях и инкапсулирование.

В ближайшей перспективе можно ожидать резкого повышения удельной доли веществ, полученных методами биотрансформации в химической промышленности, т. е. биологически активные агенты (целостные клетки и ферменты) стали заменять в химической технологии функции химических реагентов.

Для экспансии биотехнологических методов в область химической технологии есть два определяющих основания:

1)реальные возможности осуществления таких процессов и ряд преимуществ;

2)мягкие условия, специфичность, в том числе стереоспецифичность и высокая скорость.

Все это позволяет решить или упростить такие проблемы химической промышленности, как низкая избирательность реакций, большое количество стадий, сложность очистки продуктов [13].

Одно из важных направлений современной биотехнологии – биоконверсия возобновляемых ресурсов, особенно целлюлозосодержащих растительных продуктов. Вопросы взаимодействия химии и биологии

сразличных точек зрения анализируются в работах [64, 67, 72, 73, 119]. В заключение выделим важную проблему. Существующие про-

граммы обучения химиков не учитывают охарактеризованную выше тенденцию внедрения биотехнологических знаний и практических способов их реализации в различные отрасли перерабатывающей промыш-

25

ленности (химической, фармацевтической, пищевой, горнодобывающей), а также в природоохранительные системы промышленной биоочистки выбросов предприятий. Это обстоятельство позволяет утверждать о необходимости введения в содержание подготовки химиков и химиков-технологов основ биотехнологии с элементами биохимии, молекулярной и микробиологии, биоорганической химии, инженерной энзимологии.

2 . 3 . 2 . В з а и м о д е й с т в и е х и м и и , б и о л о г и и и г е о л о г и и

Важную роль в становлении биотехнологии и ее применении для обогащения руд, решения экологических проблем, предотвращения биоповреждений сыграло развитие взаимодействия химии, геологии и биологии.

Приведем один из вариантов определения понятия «биогеотехнология» из основополагающего пособия «Биотехнология» (в 8 т.). Его авторы трактуют биогеотехнологию как приложение биотехнологии к добыче, обогащению и переработке руд, выделению металлов из сточных вод и т. п. [10].

Объединяющим началом геохимии была общность предмета (особенно в плане химического состава, строения и эволюции минералов) и химического метода исследования. Кроме того, сближению и взаимосвязи многих наук на рубеже ХIХ–ХХ вв. способствовало широкое распространение общенаучного принципа историзма. Этот принцип стал объединяющим и для биогеохимии. В сфере последней произошло соединение методов химии, биологии и геологии при их общей направленности на специфический предмет исследования: процесс зарождения, миграции и распространения вещества в результате совокупного протекания химических, биологических и геологических процессов.

Итак, вначале сформировалась геохимия, и далее (с участием в этом процессе элементов биологического знания, биологических подходов) возникла биогеохимия, которую можно назвать протобиогеотехнологией. Рассмотрим с историко-методологической точки зрения эти процессы.

Оформление геохимии в самостоятельную науку приходится на начало ХХ в. и связано в первую очередь с именами В. И. Вернадского,

26

Ф. У. Кларка и В. М. Гольдшмидта. В 1908 г. американский ученый Ф. У. Кларк издал капитальный труд, содержащий многочисленные данные о распределении химических элементов в природе и среднем химическом составе земной коры [129]. По мнению Вернадского, книга Кларка стала основой для всего дальнейшего развития геохимии как науки. Также Вернадский отметил большое значение для современной геохимии работ профессора В. М. Гольдшмидта, создавшего в 1930 г. в университете г. Геттингена один из наиболее передовых для своего времени научных центров по исследованиям в области геохимии [16].

В то же время становление геохимии как науки началось с утверждения в ней идеи развития и принципа историзма. Это связано непосредственно с именем В. И. Вернадского: «Представление о геохимии как науке об истории земных атомов возникло на фоне новой атомистики, новой химии и физики в тесной связи с тем представлением о минералогии, которое проводилось в Московском университете в 1890–1921 гг. Преподавание и научная минералогическая работа были здесь поставлены так, что на первое место выдвинута была теория минералов, изучение их генезиса и изменения» [16].

Обратим внимание на то, что геохимия сформировалась как наука именно в ее сочетании (особенно в области минералогии) с химическим знанием и, что важно заметить, с методологическим принципом историзма. Именно это сочетание позволило этой дисциплине бурно прогрессировать и выкристаллизовать новую науку – биогеохимию.

Создание учения о биосфере и новой науки биогеохимии – также заслуга В. И. Вернадского. Хотя само понятие «биосфера» было введено Э. Зюссом еще в 1875 г., но современное содержание оно получило именно благодаря работам Вернадского, который показал, что живое вещество, живые организмы своей прошлой и современной деятельностью в громадных масштабах осуществляли и осуществляют преобразование земной коры и что «биогенная миграция атомов» охватывает часть атмосферы, гидросферы и верхнюю часть литосферы [130].

Важным этапом развития биогеохимии является разработка А. П. Виноградовым представлений о биогеохимических провинциях.

Внастоящее время без учения об основах строения, функциях

ихимическом составе живых организмов невозможно изучение распределения и закономерностей залегания в литосфере таких полезных ископаемых, как нефть, уран, ванадий, германий и др. [136].

27

Исследования в области биогеохимии в сочетании с развитием микробиологии, промышленной биотехнологии и смежных с ними отраслей научно-технического знания послужили основой для формирования биогеотехнологии, которая в последние годы получила статус самостоятельной области науки. Как и в случае с биотехнологией, в зарождении биогеотехнологии выделяются:

1)период неосознанного использования деятельности живых организмов в добывающей промышленности древности;

2)период, когда живые организмы стали применяться для получения полезных составляющих из руд (1950–1960-е гг.).

Интересные сведения из истории развития биотехнологии приводят авторы одной из работ: «Еще за 1000 лет до нашей эры римляне, финикийцы и люди других древних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные тела. В XVII в. валлийцы в Англии (графство Уэльс) и в XVIII в. испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти древние горняки и не подозревали, что в подобных процессах экстракции металлов активную роль играют бактерии. В настоящее время этот процесс, известный как бактериальное выщелачивание, применяется в широких масштабах во всем мире для извлечения меди из бедных руд, содержащих этот и другие ценные металлы в незначительных количествах. Биологическое выщелачивание применяется также (правда, менее широко) для высвобождения урана». Далее делается вывод: «Извлечение металлов при участии микроорганизмов остается многообещающим способом дешевой обработки загрязненных металлами промышленных стоков, а также экономичного получения ценных металлов» [13].

Становление биогеотехнологии – это характерный процесс эволюции новой области научного знания и ее практического использования

врезультате активного взаимодействия наук: химии, геологии, биологии, технологии (и, соответственно, их разделов и синтетических областей: органической и неорганической химии, геохимии и минералогии, биогеохимии, микробиологии, технологии).

Как видно, использование геохимической активности микроорганизмов находило промышленное применение с древних времен, но биогеотехнология как наука смогла сформироваться только в середине ХХ в. Для этого как минимум нужен был определенный уровень развития биогеохимии, микробиологии и других смежных наук.

28

На примере биогеохимии и биогеотехнологии мы видим единство противоречивых проблем: с одной стороны, полезное использование биотехнологических процессов при обогащении руд, утилизации промышленных отходов, дезактивации выбросов, с другой – вредная деятельность микроорганизмов в процессах биоповреждений народнохозяйственных объектов, находящихся в непосредственном контакте с естественной средой жизнедеятельности микроорганизмов.

2 . 3 . 3 . Н о в ы е т е н д е н ц и и в з а и м о с в я з и б и о т е х н о л о г и и и а г р а р н ы х н а у к

На современном этапе на новые передовые рубежи вышли аграрные науки, которые в полном смысле этого понятия можно назвать частью биотехнологии. В наше время наряду с чередой открытий в биохимии и генетике все более прослеживается тенденция интенсификации развития аграрных наук, в частности исследований по разделу сельскохозяйственной биотехнологии. В них нашли применение многие знания биологии, геологии, химии, физики, математики, информатики, экологии, включая многие пограничные разделы. Наиболее явно это можно проследить по основным этапам становления генетики и ее практических применений в сельском хозяйстве. В этой области ведутся разнообразные исследования физиологии растений, например сигнальных систем клеток растений, регулирующих функциональный и структурный ответ клеток при их повреждении патогенами и других стрессовых воздействиях [123].

В связи с этим можно также отметить интенсификацию взаимосвязей аграрных наук и технологий с фармацевтической промышленностью, разработку новых методов селекции растений и конструирования (преобразования) природной среды в целях интенсификации сельскохозяйственного производства и принципов экологически ориентированного сельского хозяйства, а также многое другое.

Актуальные научно-техническая и этическая проблемы связаны с тотальным внедрением в сельское хозяйство генномодифицированных организмов (ГМО). Создание ГМО, с одной стороны, решает почти

29

тупиковую проблему глобального повышения продуктивности сельского хозяйства, а с другой – обусловливает возникновение проблем, связанных с возможными медицинскими рисками.

2 . 4 . К л а с с и ф и к а ц и я и п р и р о д а э к с п е р и м е н т а л ь н ы х м е т о д о в

Внесем определенность в различение понятий «объект» и «предмет исследования», «эксперимент» и «наблюдение».

Необходимо уяснить следующее: предмет исследования может включать как совокупность объектов и закономерностей их движения, так и некоторые стороны объекта. Объект, в свою очередь, может представлять собой целый ряд предметных сторон различных исследований. Например, один и тот же объект – молекула специфического полипептида (фермента), как частица, обладающая массой и размерами, может быть предметом изучения в физике, а как биокатализатор – в биохимии. И наоборот, один предмет исследования может включать совокупность различных объектов. Достаточно назвать такие предметы исследования, как биокатализ, мембранный транспорт, иммунная система и многие другие.

Особенностью естественно-научного эксперимента является то, что, имея предметную направленность, эксперимент по существу заключается во взаимодействии в специально созданных условиях исследуемого материального объекта с некоторым материальным фактором, называемым прибором или инструментом. Важно учесть, что в эксперименте мы получаем информацию в результате контролируемых условий. Это отличает эксперимент от наблюдения. Касаясь философскометодологической проблемы субъект-объектных отношений, приведем остроумное высказывание Г. Гегеля о том, что в экспериментальной познавательной деятельности человек действует «против природы с помощью самой природы».

В данной работе мы не рассматриваем так называемые мысленные эксперименты, а только эксперименты, проводимые с материальными объектами.

30