истор и методология в биологии 2

36. Огромное значение исследований биологических проблем на молекулярном уровне предвидел И. П. Павлов, говоривший о последней ступени в науке о жизни — физиологии живой молекулы. Самый термин «Молекулярная биология» был впервые употреблен англ. учёным У. Астбери в приложении к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибриллярных (волокнистых) белков. Широко применять термин «Молекулярная биология» стали с начала 50-х гг. 20 в. Возникновение Молекулярной биология как сформировавшейся науки принято относить к 1953, когда Дж. Уотсоном и Ф. Криком в Кембридже (Великобритания) была раскрыта трёхмерная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это позволило говорить о том, каким образом детали данной структуры определяют биологические функции ДНК в качестве материального носителя наследственной информации. В принципе, об этой роли ДНК стало известно несколько раньше (1944) в результате работ американского генетика О. Т. Эйвери с сотрудниками (см. Молекулярная генетика), но не было известно, в какой мере данная функция зависит от молекулярного строения ДНК. Это стало возможным лишь после того, как в лабораториях У. Л. Брэгга, Дж. Бернала и др. были разработаны новые принципы рентгеноструктурного анализа, обеспечившие применение этого метода для детального познания пространственного строения макромолекул белков и нуклеиновых кислот.

В середине XVIII века Михаил Васильевич Ломоносов предлагает «всеобщий закон» сохранения. Впервые он формулирует его в письме к Леонарду Эйлеру от 5 июля 1748 года. Здесь он пишет: «Но все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого…». Чтобы убедиться в несостоятельности господствовавшего в ту эпоху учения о флогистоне, Ломоносов подверг проверке опыт Бойля. Бойль, прокалив на огне запаянный сосуд, содержавший металл, обнаружил увеличение веса вскрытого сосуда и приписал это проникновению сквозь стекло «огненной материи» (флогистона). Открытие Ломоносова осталось незамеченным среди европейских ученых, которые продолжали придерживаться теории флогистона. Почти через 20 лет после Ломоносова исследование проблемы сохранения массы заинтересовало Антуана Лавуазье. В конце XVIII века научное сообщество признало закон сохранения массы (закон Ломоносова-Лавуазье) и отказалось от теории флогистона. Лавуазье в 1785 году предложил едва ли не первое определение жизни: «Жизнь – это химическая функция».

В методологическом плане историей должна быть высоко оценена школа химиков, созданная шведским ученым Йёнсом Якобом Берцелиусом (1779-1848). Он и большинство его учеников разделяло концепцию о наличии в живом – “жизненной силы”, но в ней виделось сугубо специфическое для живого “взаимодействие химических и механических частей тела…”, зависимое, главным образом, от действий нервной системы. Но среди его учеников нашлись исследователи, которые задолго до получения экспериментальных данных стали отрицать “жизненную силу”. В 20х годах 19 века Шеврель показал, что у животных и растений есть одинаковые группы веществ. Ранее Фуркруа и Бертоле обнаружили сходство растительных и животных белков (наличие азотистых соединений). Фридрих Вёлер – один из ближайших учеников Берцелиуса, утверждал, что рассматривать различие между органическими и неорганическими веществами, как нечто абсолютное и неизменное было бы противно духу науки. В письме к своему учителю в 1828 году Вёлер писал: “Я должен сообщить Вам, что могу получить мочевину, не прибегая при этом к почкам и вообще к живому, будь то человек или собака. Мочевина – это цианат аммония”.

37. Теория Мульдера.

Герард-Иоганн Мульдер – голландский химик, ученик Берцелиуса. Он известен главным образом своими исследованиями белков, а именно тем, что создал теорию химического строения белков, названную «теорией протеина». Важно отметить, что Мульдер считал протеин важнейшим из всех известных тел органической природы, без которого не может быть жизни на Земле.

«Теория протеина» была создана в 1836 году и была первой концепцией строения белков. Основываясь на теории радикалов, он сформулировал понятие о минимальной структурной единице, входящей в состав всех белков. Основная идея теории Мульдера заключается в том, что белковые вещества самого различного происхождения, т.е. выделенные из разных организмов, едины по наличию в них одинакового основного вещества. Этой минимальной единицей строения белков, которой приписывался состав 2C8H12N2 + 50, по мнению Мульдера, является протеин (Рг). Этот радикал, по теории Мульдера, может в разных пропорциях соединяться с серой и фосфором, что и придает белкам некоторое разнообразие. Позднее состав протеина был уточнен - C40H62N10O12.

Критика теории.

Однако вскоре наступают трудные времена для теории протеина. Постепенно накапливались фактические данные, противоречащие основным положениям теории протеина Мульдера. Они касаются присутствия серы в протеине и указывают на прямые ошибки в количественной интерпретации аналитических данных.В 1846 г. Н. Э. Лясковский, работавший в лаборатории Ю. Либиха, доказал неточность многих приведенных Г. Мульдером анализов. Свои сомнения в правильности теории публично высказал Ю. Либих, он планировал начать широкие исследования структуры белков и даже изучил продукты распада белковых веществ. Понимая весомость аргументов оппонентов, Г. Мульдер пытался корректировать формулу протеина (C36H50N8O10). Теория протеина стала достоянием истории, однако ее значение непреходяще, ибо она стимулировала химические исследования белков, сделала белки одним из главных объектов бурно развивающейся химии природных веществ.

Вклад Российских ученых

Лясковский Николай Эрастович (12.04.1816-28.04.1871)

Работал в лаборатории Либиха. Там он занялся исследованием белковых и протеиновых веществ. Тогда он написал статью «О теории протеина». В ней Лясковский высказал принципиальные возражения впервые были сделаны в 1846 году русским ученым Николаем Эрастовичем Лясковским в статье. В 1846 г., по возвращении в Россию, он был определен на должность "ученого аптекаря" при Московском университете. В 1859 г. Лясковский был назначен ординарным профессором химии в Московский университет и читал этот курс до самой смерти.

Данилевский Александр Яковлевич родился в 1839 г. Работы Данилевского в основном посвящены ферментам, химии белков и вопросам питания. Данилевский экспериментально доказал, что действие сока поджелудочной железы на белки представляет собой реакцию гидролиз, в результате которой белки расщепляются до пептонов. Он показал также обратимость этого процесса и впервые осуществил ферментативный синтез белков из пептонов; в качестве синтезирующего фактора Данилевский использовал сычужный фермент желудочного сока. Также предложил разделение белковых фракций на глобулиновую, строминовую и нуклеиновую; предложил первую научную классификацию белков мозга. Сформулированная Данилевским оригинальная теория строения белковой молекулы (1888) частично предвосхитила полипептидную теорию Э. Фишера (1902). Он справедливо утверждал, что белки построены из аминокислот и имеют полимерную природу; главной же структурной единицей он ошибочно считал биуретовую группировку RNHCONHCOR'.

Любавин Николай Николаевич. Говоря о ученых, внесших значительный вклад в исследования структуры белков, нельзя не отметить Любавина Н.Н. Несмотря на то, что первая аминокислота - глицин - была выделена А. Браконно еще в 1820 г. из кислотного гидролизата желатина, полный аминокислотный состав белков был расшифрован только к 30-м годам XX в. Большая заслуга в этом принадлежит работам Н.Н. Любавина, который в 1871 г. установил, что под действием ферментов пищеварительных соков белки расщепляются на аминокислоты.

Зелинский Николай Дмитриевич родился в дворянской семье 6 февраля 1861. В 1906 Зелинский впервые разработал доступный метод получения альфа-аминокислот, объяснил механизм реакции, синтезировал большое количество аминокислот, чем вошел в историю исследований белков.белковый протеин окисление

Энгелдьгардт Владимир Александрович родился в Москве в 1894 году. С 1960 он изучает структуру и функции нуклеиновых кислот и ферментов биосинтеза белков. По его инициативе и при непосредственном участии им организованы исследования по обратной транскрипции — проект Ревертаза с научными центрами СССР, ГДР, ЧССР и ПНР в 70-х гг.

38. Классическое определение Ф. Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ, с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка" - лишь формально отнесено к первой категории, т.к. Энгельс имел в виду не собственно белки, а структуры, содержащие белок.

То, что белки – полимеры, сложенные цепями кислот, доказали в 1901 году немецкие ученые Фишер и Гофмейстер. Фишер осуществил первый искусственный синтез белка из аминокислот, что окончательно доказало аминокислотную природу белков и их полимерную структуру. Синтез Фишера был подвергнут нападкам виталистов. Они рассуждали так: поскольку синтез произведен с помощью рук человеческих, то не исключена возможность «истечения нематериальной жизненной силы из пальцев экспериментатора в пробирку, где совершался синтез».

В 20ых годах ХХ века отечественный биохимик А.И. Опарин, исходя из теоретических предположений, а именно из субстратного подхода, высказал убеждение, что жизнь есть закономерный результат эволюции материи во Вселенной и естественного отбора, спонтанно образующихся в ходе химической эволюции веществ обособленных термодинамических открытых многомолекулярных систем – пробионтов. Построена картина была исходя из теоретических соображений.

39. Термодинамика - наука о наиболее общих свойствах макроскопических материальных систем, находящихся в различных состояниях относительно термодинамического равновесия, и о процессах переходов между этими состояниями. К настоящему времени термодинамика содержит два основных раздела: 1. Равновесная термодинамика (термодинамика изолированных систем) В основном разработана в середине 19-го – начале 20-го века и содержит три закона – три «Начала»: - в середине 19-го века Ю. Р. Майером, Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем был сформулирован первые закон термодинамики - «Первое начало термодинамики». (Первое начало термодинамики - один из трех основных законов термодинамики, представляющий собой закон сохранения энергии для систем, в которых существенное значение имеют тепловые процессы.)

- в 1850 году Р. Клаузиусом, и независимо от него в 1851 году У. Томсоном было сформулировано «Второе начало термодинамики».

- в 1906 году В. Нернст сформулировал «Третье начало термодинамики».

2.Неравновесная термодинамика (термодинамика открытых систем) Разработана в 20-м веке. Содержит два основных подраздела: - слабо неравновесную термодинамику, основы которой разработаны в 1931 Л. Онсагером; - сильно неравновесную термодинамику, в основном разработанную Г. Хакеном, И. Пригожиным и Р. Томом в середине 20-го века.

40. 1.5. «Всеобщий закон биологии» Бауэра

Наряду с теоретическими работами физиков над проблемами законов термодинамики, этой же проблемой, но применительно к биологии, в начале 20-го века занимался биолог- теоретик Эрвин Симонович Бауэр. В то время биология как наука еще не была достаточно развита. Еще не был известен состав клеток и их основные функции, и было общепринятым считать, что жизнь - это некоторое вещество с особыми свойствами. В микроскоп живое вещество различных живых организмов выглядело практически одинаково в виде клеток с желеобразной массой (которая получила название протоплазма). Основной задачей, которую поставил перед собой Э. Бауэр - определить основные термодинамические свойства живых веществ, за которое он принимал молекулы белков в особом, неравновесном состоянии. Несмотря на целый ряд ошибочных предположений, принципиальным научным достижением Э. Бауэра в этой работе является неопровержимое доказательство того, что живые организмы могут находиться только в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии. Э. Бауэром был сформулирован «Всеобщий закон биологии» в следующей редакции:

«Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях».

По существу этот закон является Первым законом термодинамики биологических систем. Э. Бауэром также был сформулирован «Принцип устойчивого неравновесия живых систем»:

«Для живых систем характерно именно то, что они за счет своей свободной энергии производят работу против ожидаемого равновесия». Позже теория Э. Бауэра была полностью подтверждена работами И. Пригожина, Г. Хакена и Р. Тома. Как утверждает И. Пригожин: «…и биосфера в целом, и ее различные компоненты, живые или неживые, существуют в сильно неравновесных условиях. В этом смысле жизнь, заведомо укладывающаяся в рамки естественного порядка, предстает перед нами как высшее проявление происходящих в природе процессов самоорганизации ».