Возникновение экспериментальной биологии
Развитие науки подчиняется строгой внутренней логике, и, несмотря на то что важнейшие экспериментальные работы были сделаны учеными разных стран, они всегда следовали друг за другом в логическом порядке. Каждый новый эксперимент основан на знаниях, добытых в предыдущих исследованиях.
Однако логика развития науки в настоящее время практически исключена из методики преподавания биологии. А между тем она является лучшим учителем: самый верный способ понять современную научную картину мира – мысленно пройти путь науки.
Великий русский физиолог И.П. Павлов говорил, что научный эксперимент – это вопрос, заданный природе, на который она отвечает утвердительно или отрицательно. Современная биология не страдает от недостатка экспериментальных работ, но основу общей биологии составляет небольшое количество классических экспериментов. Любой учитель, преподающий биологию, должен знать их.
Долгое время биология была описательной отраслью знания и основывалась в большей степени на наблюдениях, чем на экспериментах.
Первым экспериментом (1629г.), относящимся к области общей биологии, считают опыт голландского естествоиспытателя Ван - Гельмонта. Он взял сосуд со взвешенной почвой (200фунтов), в которую посадил ивовую ветвь и оставил расти. В течение 5 лет Ван – Гельмонт поливал растение дождевой водой, так как знал, что она свободна от примесей минеральных веществ. Когда ива выросла, ученый определил, что ее масса увеличилась на 160 фунтов, а почва потеряла в весе только несколько унций. Отсюда он заключил, что растение развивается не за счет почвы, а за счет воды. Так возникла водная теория питания растений, которая содержит, увы, только часть истины.
Важнейшей вехой в развитии экспериментальной общей биологии стало открытие микроскопа. Этот прибор до настоящего времени - важный инструмент для познания микроуровней жизни.
Появлению микроскопа предшествовало создание телескопа. Еще в самом начале 17 века мастер по изготовлению очковых стекол Липперсгей из голландского города Миддельбурга пытался запатентовать примитивный телескоп – свинцовую трубу со вставленными в нее очковыми стеклами. Но патента он не получил, так как объявились и другие оптики, претендующие на честь изобретения.
Однако новый прибор стал моднейшим увлечением и быстро распространился по Европе. Наблюдение звездного неба стали необходимым занятием для каждого современного той эпохе человека. В марте 1610 г. вышло в свет сочинение Галлилео Галилея «Звездный вестник», в котором он изложил свои астрономические наблюдения. И только спустя более чем полвека был изобретен микроскоп. В1673 году Антони Ван Левенгук впервые увидел микроорганизмы и сообщил о своем открытии в Лондонское Королевское общество. Полвека на то, чтобы перевести взгляд со звездного неба на водную каплю! Почему так долго?
Открытие микроскопа означало осознание человеком своей относительности в этом мире: ничтожество по сравнению со звездами и величие по сравнению с микробами. Человек впервые смог ощутить себя не только песчинкой в бесконечной Вселенной, но и силой, способной изменить мир. На пороге была промышленная революция и эпоха прогресса. Наука становилась локомотивом истории.
К сожалению, биология гораздо дольше, чем остальные естественные науки, оставалось ареной борьбы идеологий. Две линии противостояния просматриваются в таком, казалось бы, чисто научном вопросе, как самозарождение, который рассматривал механизмы размножения и индивидуального развития организме. Одна линия восходит к философии древних греков. Яркий представитель древне – греческой науки и философии Аристотель (4 в. до н.э.) считал, что кроме живых существ, рождающихся от себе подобных, есть и самозарождающиеся организмы. Другими словами, животные появляются на свет не только в результате размножения, но и «из перегнойной почвы и навоза». В данном утверждении заложен философский принцип, гласящий, что причина развития материи находится внутри ее самой.
Другая линия, отражающая противоположную точку зрения, зафиксирована в Библии: организмы появляются только «по роду их» (Книга «Бытие», глава 1). Философский принцип, заключенный в это представление, находит причину развития материй вне ее самой.
Начало экспериментального изучения явления самозарождения связанно с именем итальянского врача и естествоиспытателя Франческо Реди. В 1668 г. он доказал, что личинки мух не зарождаются в гниющем мясе, а выводятся из отложенных на него яиц. Для эксперимента он взял три банки, в каждую из которых поместил по куску мяса. Первую оставил открытой, вторую обвязал марлей, третью – пергаментом. Во всех трех банках началось гниение, но «черви» (личинки мух) появились только в мясе, находившемся в открытой банке.
Причиной популярности теории самозарождения в то время явилось, то что она воплощала духовную оппозицию господствовавшей почти тысячелетие религиозной идеологии.
Закономерно, что нашелся человек, попытавшийся доказать самозарождение. Это был английский естествоиспытатель Джон Нидхем. В середине 18 в. он провел эксперимент, который развивался другими учеными в течение следующих ста лет и привел в итоге к значительным открытиям и зарождению консервной промышленности. Этот эксперимент решал загадку протухающего бульона. Нидхем просто варил бульон из баранины, наливал его в сосуд и плотно закрывал крышкой. Через несколько дней в сосуде появлялись микробы.
Итальянский ученый Ладзаро Спалланцани повторил работы английского коллеги и установил, что продолжительное кипячение бульона препятствует появлению микроорганизмов. Но если тотчас после кипячения открыть доступ воздуха, то через некоторое время в бульоне начинают кишеть микробы. Значит, решил Спалланцани, продолжительное кипячение уничтожает все микробы, находящиеся в отваре, и они вновь появляются в нем с входящим воздухом.
Таким образом, загадка протухающего бульона потребовала предварительно решить проблему воздуха, испорченного горением или дыханием. Еще в 1260г. Роджер Бэкон указал, что горение тел в закрытых сосудах прекращается. Состав атмосферного воздуха был неизвестен, а по аналогии можно было предположить, что кипячение тоже делает воздух не пригодным для жизни.
Француз Антуан Лавуазье и англичанин Джозеф Пристли независимо друг от друга установили сходство между процессами горения и дыхания. Если поместить под стеклянный колпак свечу, она гаснет, если мышь, она погибает.
Пристли удалось пойти дальше и решить проблему «испорченного» воздуха. После безуспешных попыток сжатия, охлаждения и нагревания он поместил под колпак ветвь зеленого растения, и через некоторое время на свету воздух «исправился»: в нем вновь смогла жить мышь и гореть свеча.
Этот опыт «убил сразу нескольких зайцев». Во - первых, была экспериментально доказано воздушная теория питания растений. Стало ясно, что растения на свету поглощают углекислый газ, а выделяют кислород (углекислый газ был известен еще из работ Ван-Гельмонта под названием «лесной дух»).
Во- вторых, открылась общая сущность процессов горения и дыхания, которая заключается в окислении органического вещества кислородом воздуха с образованием углекислого газа и воды.
В -третьих, был установлен сложный состав атмосферного воздуха. Но пока не все компоненты этой смеси были известны.
Сейчас это может показаться парадоксальным, но азотная кислота была известна человечеству за 1000 лет до открытия азота. Получение азотной кислоты описал в конце 8-9 века Джабир ибн Хайян. Исходными продуктами реакции были селитра и серная кислота. Для установления в атмосфере азота (главного компонента воздуха) очень важное значение имели эксперименты английского физика и химика Генри Кавендиша, который в 1884-1885гг. синтезировал оксиды азота, пропуская электрические разряды через воздух. Эти оксиды уже были известны под названием «селитряный воздух», который, очевидно, представлял собой смесь закиси и окиси азота. Окись азота легко окисляется кислородом воздуха в закись, который имеет желто-коричневый цвет («лисий хвост»): 2NO+O2=2NO2
Закись азота взаимодействует с водой с образованием азотной и азотистой кислот: 2NO2+H2O=HNO3+HNO2
Таким образом, оказалось, что в состав воздуха входит тот же химический элемент, который содержится в азотной кислоте и аммиаке.
В 1787 г. комиссия из четырех химиков – Лавуазье, Бертолле, де Морво, Фуркруа – обсуждала вопрос о названии этого химического элемента. Были предложены названия: nitrogene (рождающий азотную кислоту) и alcalidene (рождающий щелочь, так как водный раствор аммиака проявляет свойства щелочей). Однако был принят термин «азот», на котором настаивал Лавуазье.
Каково происхождение термина «азот» и какой в него вложен смысл? Смысл слова «азот» построенный следующим образом: «альфа» - первая буква всех алфавитов (греческого, еврейского, латыни), на которых в те времена писались научные сочинения; «зет» - последняя буква латинского алфавита, «омега» - буква греческого алфавита, «тов» - еврейского. Слово «азот» выражало мысль из Апокалипсиса: «Аз есмь альфа и омега, начало и конец». С высоты современных представлений это кажется удивительно прозорливым: роль азота в природе огромна.
Лавуазье предлагал вложить новый смысл в древнее слово. Пытаясь подчеркнуть отрицательные свойства молекулы азота – инертность и неспособность поддерживать горение и дыхание, он назвал его «безжизненным», от греческих производных: а- отрицание, zoo – живу.
Итак, благодаря работам столь разных в жизни, но столь близких по научным взглядам людей, было открыт состав атмосферного воздуха, что позволило науке развиваться дальше и решать проблемы, состоящие перед человечеством.
Прошло немного времени и древо науки неожиданно принесло плоды. Чисто научный спор о протухающем бульоне получил выход на практику.
В 1795 г. Наполеон назначил награду за изобретение способа предохранения от порчи продуктов питания, необходимых для снабжения армии за время походов. Награду в 12 000 франков получил в 1809 году французский повар Никола Аппер. Его споров предусматривал герметичную закупорку растительных и животных продуктов в сосуды и длительное прогревание в кипящей воде. Аппера поэтому считают основоположником консервной промышленности.
В начале 19 в. химики оказали еще одну услугу биологам в изучении жизни. До этого времени химикам не удавалось синтезировать вещества, которые они умели выделять из растительных и животных организмов. Поэтому широко была распространена теория витализма (лат. Vita - жизнь), согласно которой живое отличается от неживого присутствием «жизненной силы», которая обусловливает в организмах образование органических веществ.
В 1824 г. немецкий врач и химик Фридрих Велер синтезировал щавелевую кислоту из дициана, а в 1828 г. – мочевину из цианата аммония. В последующие годы были разработаны способы получения более сложных органических веществ. В 1854 г. француз Бертло синтезировал ряд жиров, а в 1865г. русский ученый А. М. Бутлеров – сахар из формальдегида.
В настоящее время специалисты по органическому синтезу искусственно получает белки, нуклеиновые кислоты и ряд других сложнейших по составу и структуре соединений.
Однако вряд ли имеется достаточно оснований для опровержения теории витализма (пусть даже в философском смысле). Создать живое из неживого ученым не удавалось. Цель алхимиков не достигнута: гомункулус (искусственный человек) не создан. Качественные различия между живой и неживой материи, несомненно, существует.
Действительно реальный и очень важный для науки результат работы Ф. Велера и других ученых – доказательство химического состава живого вещества. В мировоззренческом плане это тождественно доказательству единства мира, ибо весь мир состоит из одних и тех же химических элементов.
Тем временем ученые продолжали изучать вопрос о протухающем бульоне, поскольку время от времени происходили случаи загнивания продуктов закрытых и простерилизованных сосудах.
В 1859г. Французская академия наук объявила конкурс на изучение темы о самозарождения жизни, так как усилиями некоторых ученых широко распространилось мнение о том, что микроорганизмы могут самопроизвольно возникать в результате взаимодействия кислорода и азотистых веществ.
Луи Пастер убедительным опытом доказал невозможность самообразования микробов. Его сосуды с прокипяченным бульоном имели S – образную трубку, через которую воздух свободно проникал внутрь. Но вся пыль и все микробы оседали на изгибах трубки, и бульон оставался стерильным. Если же сделать смыв S-образной трубки в бульон, то последний быстро загниет. Таким образом, Пастер неопровержимо доказал, что ни кислород и азот, а попавшие извне микробы являются причиной загнивания.
Французская академия наук в 1862г. за решение проблемы присудило Л.Пастеру премию.
Учение о самозарождении организмов было экспериментально опровергнуто, но философский принцип о самодостаточности материи для развития продолжает существовать до сих пор и нашел воплощение в гипотезе возникновения жизни на Земле Опарина – Холдейна.
Литература
Волков В.А, Вонский Е.В., Кузнецов Г. И. Выдающиеся химики мира. М.Высшая школа, 1991 г.
143
196 683 
