Введение

Тем, кто хочет изучать биологию,, хотя и не собирается стать директором зоопарка

Биология вчера, сегодня, завтра. Кто такой биолог? Нужны ли ему математика и физика? Является ли биология точной наукой? Должен ли биолог только собирать и сравнивать или можно подойти к изучению биологии как-то иначе?

Итак, кто же такой биолог? Разные люди наверняка ответили бы на этот вопрос по-разному. "Биолог - человек с ботанизиркой и сачком для ловли бабочек, чудак, работа которого больше похожа на хобби",- сказал бы один. "Биолог - это исследователь, который выращивает в реторте людей, людей с выдающимися способностями, сверхлюдей будущего", - заявил бы другой. Оба этих крайних суждения одинаково абсурдны; между ними, вероятно простирается широкий спектр мнений. И это не удивительно, поскольку ни в одной науке за последние десятилетия не произошли такие революционные изменения, как в биологии. Сейчас биология находится где-то в середине этого этапа развития, и вряд ли кто-нибудь возьмется дать долгосрочный прогноз на будущее. Часто даже самим биологам нелегко бывает уследить за новыми направлениями, возникающими в той огромной области науки, которая связана с познанием жизни - высшей формы движения. Насколько же трудно должно быть юноше, школьнику, когда ему приходится решать, в какой области работать, какой профессии больше всего соответствуют его способности и интересы! Для чего изучают биологию? Чтобы стать директором зоопарка? Не зря ли стараются заработать пятерки по математике и физике те, кто собирается заниматься "всего лишь" биологией? Можно ли отнести биологию к "точным" наукам?

Издавна человек, видя перед собой изобилие биологических форм - растений и животных, - испытывал потребность разобраться во всем этом многообразии, систематизировать его. С этого и началась биология. В наше время кое-кто склонен недооценивать биологов, занимающихся сбором растений и наблюдением за животными: "Гербариями и коллекциями бабочек пристойно заниматься юным натуралистам или взрослым в свободное время!" Но не следует забывать, что любые успехи современной биологии - будь то новые нейрофармакологические препараты и антибиотики, знания о наследственных болезнях или новые сорта и породы полезных растений и животных и многое другое - были бы невозможны без работ наших неустанно коллекционировавших и классифицировавших предшественников. Что делали бы мы сейчас без детальнейших сведений о многообразии биологических форм и их систематизации! И хотя центр тяжести биологических исследований находится теперь не в области систематики, многие вопросы в ней остаются по-прежнему открытыми и продолжают служить предметом научных дискуссий.

Наряду с исследованием видов, их морфологического и анатомического строения ученые изучают механизмы жизнедеятельности. Эту область биологии называют физиологией. Почему бьется сердце? У всех ли животных оно есть? Как оно работает у тех или иных животных? Как связан образ жизни живого существа с функциями его органов? В физиологии аспект сравнения, систематизации выражен еще достаточно сильно и играет заметную роль, хотя главным здесь, конечно, является вопрос о принципах строения организма. Элементы сравнения можно обнаружить даже в одном из самых современных направлений биологии - биохимии. Из каких химических кирпичиков сложен организм? Какие в нем протекают химические реакции и зачем они нужны? Что общего или различного между реакциями у разных организмов?

"В настоящее время все более возрастает стремление выявить функциональные связи между отдельными элементами живых организмов, разобраться в механизмах биологических процессов; неуклонно расширяется использование в биологии химических методов исследования. Но вместе с тем все чаще напрашивается мысль: а нельзя ли применить в биологии физические законы, справедливые для неживой природы? Не пригодится ли физическая наука с ее столь солидной аналитической базой для познания функциональных схем животных и растений?

В сущности, эта мысль такая же древняя, как сами биология и физика. На каждой ступени развития науки люди снова и снова пытались приложить физические знания к исследованию биологических систем. Но каждая такая попытка проникнуть в тайны живого кончалась неудачей. Попробуйте, пренебрегая этим опытом, бездумно применить недопустимо упрощенные физические постулаты для объяснения биологических явлений, и вы обязательно натолкнетесь на противоречия. А отсюда неизбежно следовал вывод: законы живого мира, - очевидно, законы особого рода. Живые организмы, вероятно, не подчиняются законам, действующим в неживых системах. И вот вследствие незрелости естественной науки на этой почве расцвели философские учения, утверждавшие некую жизненную силу - vis vitalis^*.

^* (Витализм (от латинского vitalis - жизненный, животворный, живой) - идеалистическое течение в биологии, согласно которому во всех живых организмах существует особая нематериальная жизненная сила. Витализм берет начало от первобытного представления об одушевленности всех тел природы.- Прим. ред.)

Повсюду вода течет сверху вниз. Но в деревьях она движется снизу вверх, от корней к листьям. Значит ли это, что здесь нарушен закон тяготения? К такому заключению неизбежно пришел бы естествоиспытатель, если бы он применил к биологической системе исключительно законы гидростатики. И только обратившись к термодинамике, мы можем понять, что никакая таинственная vis vitalis не противостоит здесь физическим законам. Просто в данном случае мы имеем дело с обычным осмотическим давлением, наблюдаемым, кстати, и в неживой природе; это давление противодействует силе тяготения, конечно, действующей и в растениях, и вызывает подъем воды в стволе.

Если при изучении биологических процессов не ограничиваться простым описанием их, а стремиться выяснить управляющие ими механизмы (в физическом смысле этого слова), то, учитывая сложность биологических систем, следует обратиться к физике. Но, поскольку физика также находится в процессе развития, она к сожалению, не в состоянии объяснить многие явления жизни. Действительно, для объяснения некоторых даже простейших биологических явлений приходится прибегать к очень сложным физическим понятиям. И не только физика, но и связанная с ней математика подчас не способны нам помочь. Даже большие успехи в области электронно-вычислительной техники, позволившие произвести кое-какие расчеты биологических систем, еще недостаточны для решения сложных систем уравнений, описывающих поведение живых систем.

Но не будем унывать, а попытаемся прикинуть, что же все-таки могут дать нам здесь современные физика и математика. "Выжимая" из этих небиологических дисциплин все возможное, мы тем самым подтолкнем их развитие. Во многих случаях уже сейчас использование в биологии физических и математических методов приносит успех. Наши знания, наши научно-технические достижения, по-видимому, находятся на том уровне, который позволяет осмысленно использовать физику и математику для изучения жизни. К этим достижениям относятся прежде всего такие крупные теоретические дисциплины, как волновая механика, статистическая физика, термодинамика; высокочувствительные электронные устройства, позволяющие с очень высокой точностью определять чрезвычайно малые электрические и магнитные потенциалы биологических макромолекул, клеток и организмов, и, наконец, электронные вычислительные машины, производящие с фантастической скоростью счетные операции, для выполнения которых человеку с карандашом и бумагой в руках понадобились бы годы и даже десятки лет.

Таким образом, не удивительно, что в последние десятилетия бурно развиваются биофизика и биоматематика. Все шире становится круг исследователей, работающих в этих смежных областях, все больше появляется научных статей. Но что знает об этом развитии небиолог?

Так попытаемся задуматься над некоторыми из их проблем и теорий. Попробуем взглянуть на биологию не в традиционном плане, а с иной точки рения. Для этого, несомненно, необходим весь комплекс знаний физики и математики, которым читатель, может быть, и не обладает. Поэтому в нашей книге мы рассмотрим такие примеры, которые позволят даже несведущему в естественных науках человеку понять основные принципы. Мы начнем с повседневного, с того, что нас окружает, познакомимся с удивительными свойствами и особенностями растений и животных. Скоро мы убедимся, что физическое объяснение форм и функций возможно только в результате очень серьезных размышлений. Так, переходя со ступени на ступень, от живых организмов вплоть до молекулярного уровня, мы узнаем, на чем основана в биологии причинная связь между функцией и формой, между временем и пространством.