Почему в середине века о биологии как науке: Почему в Средние века о биологии как науке можно было говорить лишь условно?

5. Биологические знания в средние века. Важнейшие открытия средневековья в области науки и техники

Важнейшие открытия средневековья в области науки и техники

реферат

В средневековых текстах, имевших в известной мере естественнонаучный характер, естественнонаучное и образное видение мира как бы сливаются. Это не позволяет выделить в них собственно биологические знания. Поэтому о биологии в средние века можно говорить очень условно. В это время наука вообще, и биология в частности, еще не выделились в самостоятельные области, не отделились от целостного религиозно-философского, искаженного восприятия мира. Средневековая биология — скорее отражение средневековой культуры, нежели отрасль естествознания с собственным предметом изучения.

Источниками сведений о биологических предприятиях в период раннего средневековья служат сочинения типа «Физиолога», «Бестиария» и т. п. В этих книгах содержались описания упоминаемых в Библии животных и фантастических чудовищ, а также рассказы по мотивам (весьма вольно истолковываемым) из жизни животных, целью которых были религиозно-нравственные поучения. Сведения о животных и растениях содержались в «Поучении Владимира Мономаха» (XI в.), ходившем в списках на Руси, и других источниках.

Наиболее фундаментальными источниками сведений о биологических знаниях средневековья являются многотомные сочинения энциклопедического характера Альберта Великого и Венсана де Бове, относящиеся к XIII в. В энциклопедии Альберта Великого есть специальные разделы «О растениях» и «О животных». Детальные описания известных в то время видов растительного и животного царств во многом заимствованы у древних, главным образом у Аристотеля. Следуя за Аристотелем, Альберт связывал жизнедеятельность растений с «вегетативной душой». Развивая учение о функциях отдельных частей растений (ствол, ветви, корни, листва, плоды), Альберт Великий отмечал их функциональное подобие с отдельными органами у животных. В частности, корень он считал тождественным рту животного.

В средние века было обнаружено наличие растительных масел и ядовитых веществ в плодах некоторых растений. Были описаны разнообразные факты по селекции культурных растений. Идея изменяемости растений под воздействием среды выражалась в довольно фантастических утверждениях, будто бук превращается в березу, пшеница — в ячмень, а дубовые ветви — в виноградные лозы. Растения в сочинениях Альберта располагались в алфавитном порядке. Зоологические сведения у него, представлены также весьма подробно. Они даются, как и ботанические, в чисто описательном плане со ссылками на Аристотеля, Плиния, Галена как на высшие авторитеты. Деление животных на бескровных и обладающих кровью заимствовано у Аристотеля. Физиология сводится исключительно к описанию, нередко весьма выразительному, поведения и нравов животных. В духе средневековых антропоморфных воззрений говорилось об уме, глупости, осторожности, хитрости животных. Механизм размножения у животных излагался по Гиппократу: семя возникает во всех частях тела, но собирается в органах размножения. У Аристотеля было заимствовано представление о том, что женское семя содержит материю будущего плода, а мужское, кроме того, побуждает эту материю к развитию.

В сочинениях средневековых авторов многое носит символический характер. Растение или животное часто интересуют автора не столько сами по себе, сколько как символы, обозначающие и выражающие идею творца.

Уши, по словам Венсана де Бове, предназначены воспринимать слова людей, глаза же, зрящие творения,— воспринимать слово Божие. Соответственно этим задачам, глаза расположены спереди, а уши по бокам, как бы обозначая то, что наше внимание должно быть, прежде всего, обращено на Бога, и лишь потом на ближнего.

Источниками сведений не только о химических, но и о биологических знаниях могут служить алхимические трактаты. Алхимики оперировали не только с объектами минерального царства, но и с растительными и животными объектами. «Книга растений» знаменитого алхимика XV столетия Иоанна Исаака Голланда представляет значительный интерес как своеобразный алхимический свод биологических знаний. Изучая процессы гниения, брожения, алхимики знакомились с химическим составом растительного вещества. В связи с врачеванием к изучению животных и растений допускалось иное, порой чисто практическое отношение. Лечебные действия трав и минеральных веществ становились предметом специального интереса врачующих монахов позднего средневековья.

Вопрос об инстинктах и поведении животных и человека рассматривал Роджер Бэкон. Сравнивая поведение животных с сознательной деятельностью человека, он считал, что животным свойственны только восприятия, возникающие независимо от опыта, тогда как человек обладает разумом.

Круг тогдашних представлений о животных и растительности дальних стран расширяли поэтические описания путешествий в заморские края. Так, например, византийский поэт Мануил Фил (XIII—XIV вв.) побывал в Персии, Аравии, Индии. Его перу принадлежат три стихотворных сочинения, содержавших большой познавательный биологический материал. Это поэмы «О свойствах животных», «Краткое описание слона» и «О растениях». Фил любил рассказывать об экзотических, иногда фантастических, зверях. Однако и фантастические образы животных сложены у него из вполне реальных, хорошо известных и точно переданных элементов, отражавших уровень зоологических знаний XIV в.

6. Достижения

Медицина в средневековье развивалась в сложных и неблагоприятных условиях. Тем не менее, объективные закономерности развития общества и логика научного мышления неизбежно способствовали формированию в ее недрах предпосылок будущей медицины великой эпохи Возрождения. В связи с техническими открытиями еще более возросла роль научных исследований. Так как догматические воззрения исчезли, и загадки более не казались неразрешимыми, объектом изучения стало все, включая тело человека и его болезни. Вплоть до XVI века предполагалось, что болезнь является следствием ненормального смещения четырех жидких сред организма (крови, мокроты, желтой и черной желчи). Первым вызов этой теории бросил швейцарский алхимик Парацельс (1493-1541 знаменитый алхимик, врач и окулист), который утверждал, что болезни связаны с нарушениями различных органов и могут быть излечены при помощи химических препаратов. Примерно в это же время первое тщательное анатомическое исследование человека было проведено Андреасом Везалием (1514-1564 врач и анатом.). Однако основы современной медицинской науки были заложены почти сто лет спустя, когда английский ученый Уильям Гарвей (1578-1657 английский медик, основоположник физиологии и эмбриологии.) открыл, что кровь в теле человека циркулирует по замкнутому кругу благодаря сокращениям сердца, а не печени, как полагали ранее.

Медицина средневековья не была бесплодной. Она накопила большой опыт в области хирургии, распознавания и предупреждения инфекционных болезней, разработала ряд мер противоэпидемического характера; возникли больничная помощь, формы организации медпомощи в городах, санитарное законодательство и т. д.

«Век биологии» и литература — Вопросы литературы

О какой бы эстетической проблеме ни заходила в наши дни речь, почти неизменно где-то рядом обозначается проблема иного характера – одна из проблем, поставленных НТР. И в этом нет ничего удивительного. НТР – явление такого масштаба, сложности и значимости, что ей сегодня «подвластны» все области духовной жизни человечества, включая, конечно, и искусство. Поэтому-то так широко, так активно исследуется нашим литературоведением эта неисчерпаемая тема – НТР и художественные искания современности, НТР и будущее человека, каким оно обрисовывается ныне в творчестве многих крупнейших писателей.

Здесь возможны самые разные грани, самые многообразные аспекты анализа. Речь дальше пойдет лишь об одном из каналов воздействия НТР на художественную культуру, а, может быть, точнее сказать – об одном из каналов их взаимодействия. Это – область взаимоотношений литературы и биологической науки, область соприкосновения художественного мышления и тех подлинно революционных идей, которыми ознаменовался XX век в развитии наук о человеке и о биологической реальности, которая его окружает. Не приходится оговаривать, насколько важна – и насколько трудна – эта тема; достаточно просто напомнить, какое место занимает в наше время биология среди других научных дисциплин. И воздействие ее на литературу – огромно и многомерно. Пока что приходится ограничиваться лишь постановкой самой этой проблемы. Попытаемся обрисовать контуры темы, выбрав материалом творчество писателей разных стран. В данном случае, думается, оправдан такой подход, так как мы думаем прежде всего о проблемах общего характера, а не о национальной специфике и не о творческих индивидуальностях.

1

Больше ста лет назад – в 1862 году – вышел очередной роман в высшей степени популярного в то время английского писателя Уилки Коллинза «Без имени». Роман получил хорошую прессу, быстро разошелся и был переиздан, но впоследствии оказался забытым, отчасти заслоненный успехом «Женщины в белом» и «Лунного камня», затмившими все прочие произведения знаменитого ученика Диккенса и главы школы «сенсационного романа».

В 60-е годы эта книга была чрезвычайно злободневной. Уилки Коллинз, всегда живо интересовавшийся жизнью современной ему науки и следивший за ее открытиями, поставил в своем романе вопрос, который не мог не волновать интеллигенцию, широко обсуждавшую новейшие гипотезы относительно процессов наследственности. Научная революция XIX века в ту пору переживала свой апогей. Энгельс назвал ее великой. Классической страной ее была Англия¹.

Минуло столетие с тех дней, как вышли «Происхождение видов» Дарвина (1859), «О положении человека в ряду органических существ» Т. Хаксли (1863) и работа о наследственности Ф. Гальтона «Наследственность таланта, ее законы и последствия» (1869).

Сегодня человечество переживает научно-техническую революцию. Биология стала одной из центральных отраслей знания в науке о природе; этому способствовали научные открытия эпохального масштаба – расшифровка генетического кода, синтез генов и другие. В 50-х годах ясно определилась доминирующая роль генетики. На передний край современного естествознания ее поставило создание учения о сущности генетической информации.

«Можно сказать, что в обиход генетики вошли и все вновь и вновь входят удивительные идеи, разрушающие простые представления, подсказываемые здравым смыслом, – справедливо подчеркнул Н. П. Дубинин. – Вскрывается относительность научных положений и теорий, происходит отрицание давно устоявшихся представлений» ².

Революция, свершившаяся в середине нашего столетия в биологии, не могла пройти стороной и не захватить внимание многих писателей мира. Тот отклик, который она получила в произведениях писателей разных стран в 60-е и 70-е годы, естественно, оказался качественно иным по сравнению с трактовкой научно-естественных проблем, которую мы находим в литературе прошлого века, когда человечество еще почти ощупью шло к новейшим открытиям «века биологии».

И тем не менее было бы неверно игнорировать традицию. Она существует уже столетие. Чем определяется становление и развитие личности, каков ее генезис – вот круг проблем, привлекавших внимание многих писателей от Золя и Дж. Элиот до Ст. Крейна, Норриса, а позже Драйзера. В мировосприятии людей сказывалась все более заметная роль биологии, и прежде всего генетики. И в этом отношении роман Коллинза «Без имени» – одна из самых примечательных книг своего времени.

Это остросюжетный роман с подробной социальной мотивацией всех происходящих событий. Речь идет о том, как в силу сложнейшего стечения неблагоприятных обстоятельств две дочери очень богатого и всеми уважаемого человека, потеряв почти одновременно обоих родителей, встают перед ошеломившим их фактом «незаконности» своего рождения, так как их родители не были обвенчаны. Объявленные по тогдашним законам «ничьими детьми» – людьми без прав и даже без имени, – они не могли наследовать родительское состояние. В результате катастрофы все деньги и угодья мистера Вэнстоуна (отца Норы и Мэгдален) отходят к его старшему брату и злейшему врагу Майку и его сыну, а девушки оказываются выброшенными за двери дома, где они родились и выросли, лишаются каких-либо средств к существованию.

Социально-критические мотивы в романе чрезвычайно сильны. Вместе с тем в книге есть еще одна тема, живо волновавшая автора, шедшего в ногу с научной мыслью своей эпохи, а порой даже ее опережавшего.

Родные сестры непохожи друг на друга. Необычную внешность Мэгдален Коллинз уже в первой главе романа называет «странным капризом природы, все еще не раскрытым наукой». Но на этом он не ставит точку. Писатель формулирует волнующую его проблему: не существуют ли в людях, сформировавшихся под влиянием окружающих общественных факторов, внутренние и невидимые склонности, которые составляют часть их индивидуальности? ³ Воспитание может оказать на них свое косвенное воздействие, но не может подавить их окончательно. Ребенок не рождается подобным белому листу бумаги, на котором затем начнут писать его мать и нянька, – размышляет далее автор. Но что же тогда представляет собой и как формируется человеческая индивидуальность, обрести которую надеется (ради этого она и бежит из дома) главная героиня (или скорее антигероиня) романа после трагической гибели родителей?

Девушка эта – младшая из двух сестер, оставшихся сиротами, – готова на все, чтобы отомстить, отвоевать наследство, чего бы это ей ни стоило. Ее старшая сестра Нора и не представляет, на что может оказаться способной младшая сестра, Нора лишь пассивно переносит удары судьбы. Но если одна – носительница Зла, а другая – Добра, как решить уравнение, в котором Мэгдален и ненавистный ей двоюродный брат Вэнстоун – сын Майка – могут оказаться на одном полюсе?

Ощупью Коллинз идет к тем вопросам, которые сегодня обсуждаются в научной литературе и даже в широкой печати всего мира. Так, споря с В. Эфроимсоном, социолог М. Шаргородский в 1972 году писал в статье, помещенной в «Новом мире»: «…Мы отрицаем гены этики и преступности. Гены могут определять свойства темперамента, характера, волевые, интеллектуальные, эмоциональные и другие личные психические особенности и потенциальные возможности человека, которые в соответствующих условиях могут привести к совершению преступлений, но никаких этических генов и генов преступности существовать не может» ⁴.

Работы известного французского психолога Ренэ Зазо, имеющие непосредственное отношение к поднятому Коллинзом вопросу, доказывают ту же неоспоримую истину. Проведенные Зазо исследования говорят о «широком диапазоне поведенческих асимметрий, индивидуальных различий… и указывают на изыскание их генезиса вне сферы действия наследственных сил…» ⁵

Сказанное должно прямо относиться к детям от одних родителей, проявляющим столь различные свойства характера и темперамента.

Слова С. Рубинштейна, цитируемые М. Шаргородским, кажутся написанными непосредственно о романе Уилки Коллинза «Без имени»: «Человек есть индивидуальность в силу наличия у него особенных, единичных, неповторимых свойств; человек есть личность в силу того, что он сознательно определяет свое отношение к окружающему». «Преступление совершается конкретным человеком, – пишет М. Шаргородский. – Другой человек в таких же самых условиях не совершает преступления. Одни и те же интересы у разных людей создают разные мотивы поведения, а одинаковые мотивы побуждают разных людей к разным действиям».

Сегодня генетика приблизилась к объяснению феномена, изображенного в первой главе романа и развитого в последующих, – полного как внешнего, так и внутреннего несходства двух родных сестер (за счет расщепления признаков у потомства, выражаясь языком современных генетиков). Коллинз хотел объяснить этот феномен, но причины его искал не в той сфере, где они лежат в действительности; отвергая их религиозное толкование, он в то же время не мог решительно порвать с христианским мифом: Зло – Добро.

Поднятые в романе «Без имени» вопросы сегодня звучат удивительно актуально.

В наше время, пожалуй, никто из писателей Западной Европы не откликнулся так живо и остро на проблемы, интересовавшие за последние два десятилетия ученых, исследующих природу человека и человеческое сознание, как Веркор, подошедший к ним постепенно, через философию.

Один из активных участников французского Сопротивления и автор ряда антифашистских книг, вышедших вскоре после окончания второй мировой войны, Веркор обратился затем к проблемам философского и этического характера и создал несколько философских романов, тематика которых привела его к вопросам современной генетики.

Вопрос, что отличает животного от человека, впервые прямо был поставлен Веркором в 1952 году в романе «Люди или животные?». Хотя роман содержит немало острой социальной критики, как его фабула, так и его структура подчинены заданному заранее тезису, чем и предопределена условность многих образов книги. Этот тезис – идея человеческой солидарности, как ее толкует Веркор, И главное в романе – прения разных сторон по вопросу: что такое человек?

…Путешественники-европейцы, пробираясь через девственные леса Африки, внезапно сталкиваются с проблемой, которую им не под силу разрешить. Папуасы убивают и поедают людей из племени тропи; предприниматель Ванкрайзен намерен сделать выгодный бизнес, превратив тропи в рабочий скот на своем производстве. Но кто же эти тропи? Люди или животные? Ответ может определить отношение к поступкам и проводников-папуасов, и европейского предпринимателя.

Точку зрения автора выражают Темплмор и судья сэр Артур Дрейпер. Ее можно кратко сформулировать так: животное подчиняется природе, сливается с нею и ни о чем не вопрошает. Человек-животное, вырвавшееся из природы и начавшее задавать вопросы.

Для Веркора главное – способность отвлеченно мыслить: «Ни у одного вида животных нельзя обнаружить, пусть даже в самом зачаточном состоянии, признаков отвлеченного мышления. Ни у одного отсталого племени нельзя не обнаружить, пусть даже в самом зачаточном состоянии, признаков отвлеченного мышления» ⁶.

Считая, что животные до известной степени обладают сознанием, Веркор, однако, во всем, что он писал, подчеркивал одну кардинальную для него мысль: поведением животного управляет коллективная воля «республики клеток», из которых оно состоит, то есть природы. Абстрактно же мыслить может только человек, отделяя себя от окружающей природы. На этом тезисе и был построен следующий философский роман Веркора «Сильва». Здесь вопросы генетики не ставятся прямо, но Веркор очень близко подходит к ее проблематике.

Англичанин Алберт Ричвик, богатый владелец обширных угодий во Франции, от имени которого идет повествование, оказывается свидетелем поистине фантастического события: небольшая изящная лисица, загнанная преследующими ее охотниками, на его глазах превращается в красивую молодую девушку, вызывающую у Ричвика восхищение и в то же время огромную жалость. Он дает приют растерянному молодому существу и вскоре начинает ее «дрессаж», стремясь превратить Сильву (как он назвал найденное им необыкновенное существо) из диковинного зверька в цивилизованную девушку. Задача нелегкая, если не сказать неосуществимая.

Сильва быстро проходит стадию за стадией ту эволюцию, которую зверь проходил на протяжении веков и тысячелетий, то есть с того момента, когда начиналась эволюция, до стадии homo sapiens. Драматическая вершина романа – тот момент, когда потрясенная смертью товарища своих игр, дворового пса Барона, Сильва познает страшную тайну бытия и тем самым приобщается к трагедии человечества, незнакомой зверю. Постигнув неизбежность смерти, она впервые начинает осознавать себя как существо, «отделенное от природы». Веркор вводит убедительные эпизоды: Сильва понемногу узнает себя в зеркале, учится считать, различает предметы на картинах и пытается рисовать; она приблизилась к «человеческому состоянию», а сделав этот шаг, отделила себя от всего сущего, осознала себя как индивидуальность.

Аргументация Веркора могла бы быть оспорена современными этологами, идущими по пути новых открытий в изучении рассудка животных; в этой области писатель остается глух к достижениям современной науки, поскольку задача его в данном случае философская и аргументация наполовину аллегорическая.

«Почему человек живет? Почему он умирает?» – задает себе мучительный вопрос Сильва, приобщившись к «человеческому состоянию». 26-я глава романа-притчи начинается взволнованным рассказом о смысле того процесса, который проходит в едва пробудившемся сознании человека-лисы. Сильва навсегда теряет свою природу животного, вступая «в тот темный мир, в котором обречен обитать человек». И Сильва кричит: «Не хочу!»

Осмысляя человека и его роль во Вселенной, Веркор подчеркивает свой агностицизм: «Почему, в каких целях наш мозг – при всем его совершенстве – был создан таким, что он ничего не знает: ни себя, ни тело, которым управляет, ни Вселенную, к которой мы принадлежим, – не знает никто».

Насколько осведомлен Веркор в вопросах современного знания, и в частности генетики, биологии и физиологии мозга, можно убедиться, обратившись к его интересной переписке с шансонье и музыкантом Мизраки (она была опубликована в 1965 году под названием «Дороги бытия»), а также к книге «Вопросы о жизни. Господам биологам» (1973). В переписке с Мизраки Веркор затронул десятки самых разнообразных вопросов, непосредственно связанных с генетикой, с механизмом работы и возможностями человеческого мозга.

«По какому праву я делаю это?» – так начинается книга «Вопросы о жизни», в которой писатель дерзает не только вопрошать, но и строить гипотезы, говорить «на равных» с учеными-биологами. И отвечает: «Если бы ко мне, литератору, обратились люди, не имеющие отношения к моей специальности, такое обращение оживило бы мою мысль, заставило бы задуматься над тем, что, быть может, не приходило даже в голову».

Веркор признает кардинальное значение биологии как науки о живом, соглашается с теми, кто назвал ее «наиболее значительной из наук». Увлекательны страницы о работе подсознания, о значении интуиции в науке, о старении и смерти, которые, по его словам, – следствие «ошибок», допущенных организмом. Полагая, что клетки мозга не снашиваются и не стареют, но лишь «втягиваются в смерть» гибелью других органов, Веркор приходит к выводу, что эта гибель может быть остановлена, а торжество смерти – отнюдь не обязательный закон бытия.

«Карп и лосось, петух и попугай…

1. См.: К. Маркс и Ф. Энгельс, Сочинения, т. 20, стр. 68.[↩]
2. Н. П. Дубинин, Генетика в свете диалектико-материалистического учения, «Знание», М. 1975, стр. 24.[↩]
3. В наше время вопрос о возникновении индивидуальности человека Як. Броновский поставил в еще более тесную связь с его природой. См.: Jacob Bronowski, The Ascent of Man, Lnd. 1976.[↩]
4. М, Шаргородский, Этика или генетика? «Новый мир», 1972, N 5, стр. 238.[↩]
5. Цит. по статье: О. М. Тутунджян, Проблема генезиса и развития личности в трудах Ренэ Зазо, в сб.: «Проблемы личности». Материалы симпозиума, т. II, М. 1970, стр. 123.[↩]
6. Пытаясь установить рациональную границу между животным и человеком, Веркор игнорирует момент перехода, то обстоятельство, что человек не только отделяется от природы, но начинает изменять ее. Он обходит то очевидное, казалось бы, обстоятельство, что человека делает человеком не абстрактная «человеческая сущность», а его социальная природа.[↩]

Хотите продолжить чтение? Подпишитесь на полный доступ к архиву.

Уже подписаны? Авторизуйтесь для доступа к полному тексту.

Этапы познания живой природы Государственный Дарвиновский музей

Зал рассказывает об истории становления биологии — науки о живых организмах. 
С древнейших времен человек пытался объяснить причины огромного разнообразия живых организмов, окружающих его. Корни биологических знаний уходят в глубокую древность. Судя по наскальным рисункам, уже 15 тысяч лет назад люди различали множество животных.

Долгое время познание живой природы было тесно связано с религиозным мировоззрением. На заре развития человечества люди верили в кровнородственную связь их рода с определенным видом животных или растений — тотемом. Тотемными животными народов Сибири были медведь и бобр. Позднее возникло поклонение духам-хозяевам леса и реки, моря, рыб, зверей и птиц; духи-хозяева тоже часто воплощались в каких-либо животных.

Основателем биологии считают древнегреческого философа Аристотеля (384-322 гг. до н. э.). Он первым попытался систематизировать, критически осмыслить и обобщить накопленные знания о живых организмах и их жизнедеятельности.

Нашествие варваров практически полностью уничтожило высокоразвитую культуру Античности и на несколько веков затормозило развитие научной мысли. Наука эпохи Средневековья (IV-XIV вв.) была «заперта в подполье» и преследовалась инквизицией. Познание живой природы сильно ограничивалось религиозным мировоззрением. Алхимик — дитя средневековья. Поклонники алхимии пытались изготовить «философский камень» — мифическое вещество, превращающее неблагородные металлы в золото и серебро, излечивающее болезни, возвращающее утраченную молодость. Их работа, как и многие другие искания средневековых мыслителей, была окутана тайной и мистикой, труды полны аллегорий и символов.

Эпоха Возрождения (XIV-XVI вв.) ознаменовалась подъемом наук. Зарождаются отдельные отрасли биологии: физиология и эмбриология, систематика, палеонтология, сравнительная анатомия.

Развитие оптики позволило сконструировать в XVII в. микроскоп — прибор, открывший для исследователей мир микроорганизмов; показавший, что в основе всего живого лежит универсальное крошечное образование — клетка.

Изучение биологии мелких беспозвоночных и простейших, исследование оплодотворения позволили по-новому взглянуть на проблему появления жизни на Земле — ведь еще в XVII в. люди верили, что мыши могут зарождаться в горшке с зерном, заткнутом грязной рубахой.

Окончательный удар по теории самозарождения нанесли опыты Л.Пастера (1822-1895) — он доказал, что в сосуде, куда не проникают споры микроорганизмов, не могут зарождаться даже бактерии.

Вплоть до XVII века в науке господствовали представления о неизменности фауны и флоры Земли. Благодаря работам Н.Стенона (1638-1687), Ж.Кювье (1769-1832) и ряда других палеонтологов и геологов накапливались сведения о вымерших формах организмов. Возникла идея исторического развития жизни на нашей планете.

Первая последовательная теория эволюции была предложена в 1809 году французским натуралистом и философом Жаном Батистом Ламарком. Он рассматривал биологическую эволюцию как прогрессивное развитие от простого к сложному. Для объяснения такого пути развития органического мира, им были сформулированы следующие принципы:

1. внутреннее стремление организмов к прогрессу,
2. способность организмов приспосабливаться к окружающей среде,
3. передача по наследству приобретенных признаков.

Теорию Ж. Б. Ламарка нельзя назвать научной в полном смысле этого слова, поскольку вышеперечисленные принципы им никак не доказывались и не объяснялись.

Первой действительно научной эволюционной теорией явилась теория Чарльза Дарвина (1809-1882). Он объяснил приспособленность живых организмов к условиям их существования и увеличение видового разнообразия действием «естественного отбора». Решающее влияние на формирование научных взглядов молодого Дарвина оказало кругосветное путешествие на корабле «Бигль».

Увиденное за время плавания заставило ученого усомниться в неизменности видов растений и животных.

Однако, вернувшись в Англию, он не спешил с публикацией, ища все новые подтверждения правильности теории естественного отбора. Наиболее убедительными доказательствами оказались многочисленные примеры искусственного отбора, при помощи которого человек создал все многообразие пород домашних животных. Так, скрещивая разные породы голубей, Дарвин иногда получал птиц, напоминавших дикого скалистого голубя. Он пришел к выводу, что столь непохожие друг на друга домашние голуби произошли от единого предка, а своими конкретными свойствами разные породы обязаны отбору, производившемуся человеком.

Учение Ч. Дарвина вызвало широкий резонанс в научном мире. Отрасли биологии приобрели эволюционный характер. Например, работы В.О.Ковалевского по истории ископаемых копытных положили начало эволюционной палеонтологии. Конечно, далеко не все ученые благосклонно восприняли учение Ч. Дарвина. Научная критика дарвиновской теории помогла понять проблемы эволюционной биологии, главная из которых заключалась в необходимости изучения закономерностей наследственности.

Первооткрывателем законов наследственности по праву считается австрийский монах Грегор Мендель (1866 г.). Он математически строго доказал существование наследственных факторов, благодаря которым признаки родителей, хотя могут и не проявляться у потомства, не исчезают бесследно. Однако работа Менделя не была понята и принята современниками. Бурное развитие генетики — науки о наследственности и изменчивости — началось только в двадцатом столетии.

Соединение воедино дарвиновских положений и достижений генетики привело к созданию в середине XX в. синтетической теории эволюции.

Многими славными достижениями замечательна российская школа эволюционной биологии. Так, например, Н.И.Вавилову принадлежит работа о центрах происхождения культурных растений. Он же сформулировал интереснейшую генетическую закономерность — закон гомологических рядов. У истоков синтетической теории эволюции стоит Ф.Г.Добржанский.

Современный период эволюционной биологии можно назвать периодом накопления данных. Открытие новых методов исследований и компьютерной обработки данных позволяют проверить и развить многие положения синтетической теории эволюции.

Как изменились представления ученых о «центральной догме молекулярной биологии».

Ирина Лагунина: Величайшие биологические открытия ХХ века не только помогли понять тайну передачи наследственной информации, но и породили несколько утверждений, названных «биологическими догмами». Однако в последние годы большинство из этих «догм» подверглись серьезным дополнениям и расширениям. О том, как изменились представления ученых о «центральной догме молекулярной биологии», сформулированной одним из первооткрывателей ДНК Фрэнсисом Криком, рассказывает доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков. С ним беседует Ольга Орлова.

Ольга Орлова: Александр, когда критикуют научное познание мира, очень часто используют в качестве аргумента утверждение о том, что в науке нет ничего вечного, на что можно было бы опереться. Отсюда знаменитое выражение: не спешите опровергать ученых, ибо они сами всегда себя опровергают быстрее даже, чем люди ожидают этого порой. Что такое догматизм в науке? Давайте поговорим об этом на примере биологии.

Александр Марков: Да, действительно, вы совершенно правы, что это любимый аргумент борцов с наукой, которые пытаются по тем или иным причинам опровергать достижения науки, что научные течения все время меняются в отличие от религиозных и при этом совершается передергивание. Потому что это как раз признак настоящего развивающегося знания, что оно все пересматривается, меняется, потому что ученые создают более точные модели окружающего мира и, естественно, происходит пересмотр представлений. Однако при этом настоящих революций, когда приходится отбрасывать прежние взгляды, на самом деле очень мало, всегда есть огромный элемент преемственности. То есть речь идет о расширении, дополнении, уточнении имеющихся знаний. А вот догматизм как таковой, то есть приверженность каким-то закоснелым догмам, теориям, невзирая на новые факты, которые уже не укладываются в эти теории, такой догматизм науке противопоказан, хотя, к сожалению, иногда подобные явления наблюдаются в развитии науки. В 20 веке в науке не все было благополучно по части догматизма, но на это были свои довольно объективные причины. Я хотел бы рассказать о нескольких скороспелых догмах, которые сложились в биологии примерно в середине 20 века.

Ольга Орлова: А с чем было связано возникновение этих догм?

Александр Марков: Возникновение догм было связано с величайшими открытиями, которые были в это время совершены. Собственно мы знаем, что в средин прошлого века в биологии произошла настоящая революция, когда после долгих многолетних усилий ученым удалось расшифровать тайну наследственности, материальную природу наследственности, была расшифрована структура ДНК, и через несколько лет после этого совместными усилиями ряда ученых расшифрован генетический код, стало понятно, как передается наследственная информация, как она реализуется в живой клетке, как закодировано строение белков, строение ДНК. И эти открытия были настолько долгожданными, настолько важными, что они произвели очень сильный психологический эффект на научное сообщество, возникло нечто вроде эйфории кратковременной, когда казалось, что все, мы поняли главную тайну жизни и все теперь станет ясно. Но в действительности оказалось, что эти открытия не дали окончательных ответов на все вопросы, они только сыграли роль волшебного ключика, который позволил открыть дверь в некий большой лабиринт, который продолжается за этой дверью, который надо исследовать. Короче говоря, получилось так, что ряд идей, быстро оформившихся вокруг этих открытий, сразу без проверки временем получил статус окончательных истин, фактически они были догматизированы. Но, к счастью, ненадолго. Дальнейшее развитие науки показало, что эти утверждения имеют не абсолютный характер, ограниченный.

Ольга Орлова: Давайте так расскажем об опровержении этих догм по прядку, как это происходило, как это формировалось, откуда брались эти утверждения.

Александр Марков: Я хотел бы сказать, что во всех случаях речь идет, конечно, не об опровержениях. Это примерно ситуация как ньютоновской и эйнштейновской физикой.

Ольга Орлова: Когда выясняется, что есть такие пространства, где законы Ньютона перестают действовать, а начинают действовать другие законы. И речь идет фактически о расширении.

Александр Марков: То есть старый закон, ранее установленный, оказывается не абсолютным, оказывается частным случаем какого-то более общего закона. Так же и здесь. То есть опровержений как таковых нет. Есть люди, страдающие дискретным мышлением, которые мыслят категориями да – нет, истинно – ложно. С точки зрения таких людей любое исключение из правил будет опровержение, будет крах этого правила. На самом деле в биологии это совершенно не так, в биологии нет правил без исключения, как выясняется.

Ольга Орлова: В любой грамматике то же самое. Так что же это за догмы?

Александр Марков: Первая из них, самая известная – это так называемая центральная догма молекулярной биологии. Что интересно, ее стали официально называть догмой и это произошло с легкой руки Фрэнсиса Крика, одного из первооткрывателей структуры ДНК. Правда, впоследствии сам Крик признался, что использование термина догма принесло больше проблем, чем оно того стоило.

Ольга Орлова: То есть он раскаялся.

Александр Марков: На самом деле Крик был молодой человек, я так понимаю, что он был не очень силен в филологии и лингвистике, он просто хотел подобрать слово посильнее. Он использовал довольно редкое в английском языке слово «догма», не учтя, что оно имеет еще и смысл закостенелого, не подлежащего изменению закона, как религиозная догма. Содержание этого правила, этого закона состоит в следующем, что наследственная информация передается от ДНК к белкам через стадию РНК в одном направлении. Записана наследственная информация в молекулах ДНК, потом она в два этапа считывается или реализуется. Первый этап называется транскрипция. Это переписывание информации с ДНК на молекулу РНК, которая выполняет роль посредника. Второй этап называется трансляция. Это когда на основе информации, записанной в молекуле РНК, происходит синтез белка точно в соответствии с инструкцией, которая записана в этой молекуле РНК, каждые три нуклеотида кодируют одну аминокислоту. Соответственно РНК и ДНК состоят из нуклеотидов, белки состоят из аминокислот. В эту центральную догму входило представление о том, что размножение, копирование наследственной информации происходит на уровне ДНК, происходит удвоение молекул ДНК. Но неверно было только одно – неверно было мнение о том, что никаких других путей для движения наследственной информации в клетке не существует и быть может — это было неверно, оказалось, что есть ряд других варрантов.

Ольга Орлова: И когда же это поняли?

Александр Марков: Это постепенно стали понимать, шаг за шагом. Вначале обнаружили, что наследственная информация может храниться не только в форме ДНК, но есть такие РНК-содержащие вирусы, у которых наследственная информация хранится в виде РНК. Вот первое исключение. Тогда подумали, что это экзотика, какое-то редкое исключение. Далее оказалось, что копироваться, удваиваться могут не только молекулы ДНК, но и молекулы РНК, что существуют специальный ферменты РНК-зависимые, РНК-полимеразы, которые осуществляют копирование молекул РНК. РНК тоже может размножаться так же, как ДНК. Еще более серьезным ударом по мнению о единственности такого пути стало открытие обратной транскрипции. Это процесс, который идет по сравнению с обычной транскрипцией в противоположную сторону, то есть переписывание информации с РНК на ДНК.

Ольга Орлова: А РНК откуда ее получает?

Александр Марков: Если у нас есть молекула РНК, там уже что-то записано.

Ольга Орлова: Но это было то, что РНК получила с ДНК до того?

Александр Марков: Происхождение РНК может быть любое на самом деле, она может происходить от ДНК, сначала на ДНК копируется молекула РНК, а потом с РНК переписывается обратно в ДНК. А бывает у ретровирусов, например.

Ольга Орлова: У которых уже есть информация.

Александр Марков: У них геном в форме РНК. Вирус ВИЧ, например, к этой группе относится. В этом случае информация, которая в этом геноме, переписывается в ДНК клеток хозяина.

Ольга Орлова: А что тогда происходит с ДНК в таких случаях?

Александр Марков: Пишется не как на компьютерном диске, мы стираем байты и пишем поверх них новые, нет. Синтезируется новый кусочек РНК и вставляется в молекулу ДНК или к концу приделывается, то есть прибавляется кусочек основы информации. Обратная транскрипция открывает массу возможностей непредвиденных центральной догмой, для эволюции в том числе.

Ольга Орлова: Это фактически способ даже конструкция ДНК, модуляции, если мы можем обратно записать. Достроить кусок.

Александр Марков: Потенциально открываются возможности для какого-то направленного изменения ДНК. Таким образом от центральной догмы остается процесс трансляции от РНК к белку, обратной трансляции не обнаруживается у живых организмов, то есть переписывание с белка в РНК — такого нет. Однако и здесь не все так однозначно, потому что теоретически и это возможно. Была высказана гипотеза, что такая трансляция могла существовать на заре человеческой жизни, что могло быть некое равновесие, то есть белки копировались в РНК, РНК копировались в белки.

Ольга Орлова: То есть вы имеете в виду тот период, когда существовал РНК-мир, в этот момент, когда предположительно не было ДНК, а были РНК и белки и в этот момент происходила ретрансляция.

Александр Марков: Совершенно верно. Это гипотеза, конечно. Японский исследователь в 2001 году экспериментально показал, что в принципе обратная трансляция возможна. Он искусственно синтезировал молекулу РНК, которая способна осуществлять определенные ключевые этапы вот этого гипотетического процесса обратной трансляции. То есть она находит определенную аминокислоту и приделывает соответствующие три нуклеотида к молекуле ДНК, которые кодируют эту аминокислоту.

Ольга Орлова: Это открытие какие возможности открывает для биологов?

Александр Марков: Пока только теоретический интерес. Потому что даже Насимото не смог сделать полностью процесс обратной трансляции, только отдельные кусочки, чтобы показать теоретическую возможность. Поскольку в природе этого нет и в эксперименте фрагментарно, пока никакого практического значения нет.

Ольга Орлова: А зачем это стоило делать? Если, например, он бы смог это сделать, ученые научились бы делать от белков передавать информацию в РНК, чего можно было бы добиться?

Александр Марков: Хороший вопрос. Но это пока для авторов фантастических романов. Здесь открывается возможность, например, для развития хорошего ламарковского наследования приобретенных признаков. На самом деле последствия подобных открытий очень трудно предсказать. Кто бы мог подумать, что открытие обратной транскрипции, о которой мы говорили, к чему приведет? Ведь на обратной транскрипции основаны важнейшие методики изучения ДНК, геномов и так далее.

Ольга Орлова: Да, но если бы поставили технологию передачи от белков к РНК, то это вообще удивительно. То есть ты получаешь организм, обучаешь его чему-то, он приобретает каике-то признаки, свойства, я уже не говорю, какой богатство — заказ на детей, люди могли бы заказывать себе потомство.

Александр Марков: Конечно, не все так однозначно, не все приобретенные признаки отражаются на структуре белков.

Ольга Орлова: Внешний вид, например, можно было бы заказывать.

Александр Марков: Боюсь, что не так все просто. На самом деле вряд ли.

HISTORY AND DEVELOPMENT TRAJECTORIES | International Research Journal

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ: ИСТОРИЯ И ПУТИ РАЗВИТИЯ

Научная статья

Карпин В.А.*

ORCID: 0000-0002-8731-0786,

Сургутский государственный университет, Сургут, Россия

* Корреспондирующий автор (kafter57[at]mail. ru)

Аннотация

Сложившаяся к настоящему времени значительная дифференциация биологических дисциплин привела к разрозненности биологического знания, ставшей существенным препятствием для дальнейшего развития биологической науки. Возникшая ситуация привела к необходимости создания нового направления – теоретической биологии, стратегической целью которой является объединение множества разобщенных биологических дисциплин в единую науку о жизни, без которого дальнейшее плодотворное развитие биологии не представляется возможным. В этом направлении удалось добиться значительных результатов, дальнейшее продвижение которых возможно при условии устранения сохраняющихся противоречий между редукционизмом и холизмом, а также объединения возникших различных общетеоретических концепций.

Ключевые слова: теоретическая биология, редукционизм, холизм, объединение общебиологических теорий.

THEORETICAL BIOLOGY: HISTORY AND DEVELOPMENT TRAJECTORIES

Research article

Karpin V. A.*

ORCID: 0000-0002-8731-0786,

Surgut State University, Surgut, Russia

* Corresponding author (kafter57[at]mail.ru)

Abstract

Today’s significant differentiation of biological disciplines, which is the reason for the fragmentation of biological knowledge, has become a significant obstacle to the further development of biological sciences. Consequently, the situation has led to the need to create a new direction under the name of theoretical biology, the strategic goal of which is to unite many disparate biological disciplines into a single science of life, without which the further fruitful development of biology is not possible. This domain has seen significant results, and further progress is possible if the remaining contradictions between reductionism and holism are eliminated and various arising general theoretical concepts are combined.

Keywords: theoretical biology, reductionism, holism, unification of general biological theories.

Биология с момента своего появления многие века носила преимущественно описательный характер, что было безусловно связано с необычайно огромным разнообразием живых организмов. Первая попытка систематизировать это разнообразие принадлежит шведскому ученому К. Линнею (1707–1778), создавшему систему растительного и животного мира. Он впервые применил бинарную номенклатуру и построил искусственную классификацию растений и животных, но выступал в защиту постоянства видов и креационизма. Однако только XIX век можно считать началом завершения описательной науки о жизни в связи с появлением таких крупных достижений, как теории биологической эволюции Ж.-Б. Ламарка и Ч. Дарвина, работы основоположника генетики Г. Менделя, клеточная теория Т. Шванна и М. Лейдена. Теорию биологической эволюции Дарвина считают завершением описательного периода и началом биологии как науки, как теоретического знания.

Однако и в последующие годы процветал аналитический метод, биологические науки все более дифференцировались, неизбежно отдаляясь, порождая все больше узких специалистов, подчас не всегда понимающих друг друга. Такая тенденция неизбежно должна была породить противоположное направление, многочисленные попытки объединить, интегрировать разрозненные биологические знания.

В начале 20-го столетия появилось понятие «теоретическая биология», и первым крупным шагом в этом направлении была попытка слияния теории биологической эволюции с генетикой с последующим рождением неодарвинизма – синтетической теории эволюции (СТЭ), что уже само по себе было серьезным вызовом аналитической биологии.

Последующее развитие теоретической биологии сопровождалось двумя основными противоположными тенденциями: во-первых, редукционизмом и холизмом, где ведущую партитуру играла молекулярная биология, и, во-вторых, различными направлениями интегратизма.

Начиная с 20-х – 30-х годов ХХ века теоретическая биология начинает формироваться как отдельное направление биологических исследований. И здесь, к сожалению, у ведущих ученых-биологов также не сложилось единого мнения о фундаментальном основании биологической науки.

Наиболее проблемной, по нашему мнению, развернулась продолжающаяся дискуссия между физико-химическими и биологическими основами жизненных процессов, породившими идею витализма.

Первым серьезным шагом теоретизации биологического знания является создание Л. Берталанфи [14] общей теории систем (ОТС), сыгравшей значительную роль в построении фундамента теоретической биологии. Он утверждал, что теоретическая биология должна относиться к описательной и экспериментальной биологии, как теоретическая физика к экспериментальной физике. Живой организм необходимо рассматривать не как сумму отдельных элементов, а как целостную систему, качественно отличающуюся от своих составных частей. По сути дела, он выдвинул организмическую концепцию теоретической биологии.

На другой путь построения общей теории жизни встал Э. Бауэр в своей классической работе «Теоретическая биология» [1]. Ближайшую задачу теоретической биологии он видел в развитии наиболее общих законов движения живой материи, выходящих за пределы непосредственного опыта. Эти общие законы должны быть присущи всем видам живой материи, и только им. Сформулировав свой фундаментальный биофизический принцип устойчивого неравновесия, Бауэр в основание своей теории поставил термодинамику биологических систем.

Неоценимый вклад в развитие теоретической биологии внес российский ученый В. И. Вернадский, развивший новое направление эволюционной теории – учение об эволюции биосферы [2]. Он утверждал о первичности биосферы по отношению к отдельному организму, рассматривая организованность как специфическую особенность живой оболочки нашей планеты.

Продолжает развиваться СТЭ [4]. Основным моментом в развитии теоретической биологии является замена организмоцентрического мышления на популяционное. Хотя СТЭ претендует на завершенную общебиологическую теорию, она не разрешила всех накопившихся проблем, что породило продолжающиеся поиски третьего синтеза.

В 40-е – 50-е годы ХХ века в теоретической биологии наряду с математическими методами и системными исследованиями получают широкое распространение методы физико-химического анализа – наступает период развития молекулярной биологии, с достижениями которой связывают дальнейшее развитие науки о живой материи [13]. Важнейшим достижением в этом направлении явилось установление структуры ДНК (1953 г.). Однако развитие молекулярной биологии, изучающей органические структуры на грани живой и неживой материи, не могло стать основным базисом общетеоретической науки.

Таким образом, к середине прошлого века наметились три основных направления развития теоретической биологии: эволюционное (теория биологической эволюции), физико-химическое (молекулярная биология) и системное (общая теория систем).

Очередная попытка объединить складывающиеся различные направления общей теории жизни была предпринята в 60-е – 70-е годы. Апогеем этого периода явилось создание фундаментальных трудов «Теоретическая и математическая биология» [8] и «На пути к теоретической биологии» [5]. Организаторы и редакторы отметили, что главной целью предпринятой попытки было «разработать мощную систему основных конструктов такой глубины и широты, чтобы частные явления можно было объяснить дедуктивным путем как логические следствия небольшого числа фундаментальных принципов» [9, С. 14]. Они утверждали, что в биологических науках последнего времени все теории и гипотезы можно поделить на две главные категории – физико-химические и биологические, причем окончательное научное объяснение жизни должно стать биологическим.

В рассматриваемый период наряду с системным активно развивается информационный подход. Действительно, теория информации завоевала прочные позиции в теоретической биологии на всех уровнях исследования живой материи [10], [11]. Полагали, что теория информации поможет разрешить все проблемные вопросы теоретической биологии. Действительно, информационные процессы играют важнейшую роль в организации жизнедеятельности. Существует мнение, что они вообще характерны именно для живых систем. Многие ученые-биологи воспринимали теорию информации как реальный путь к созданию такой же строгой теоретической биологии, как теоретическая физика. «Критерий живого надо искать в каких-то качественных признаках целостной организации биосистем, функционирующих на всех уровнях иерархии живой системы. К выяснению качественных признаков организации биосистем следует подходить с точки зрения их информационных характеристик, ибо внутренние и внешние вещественно-энергетические процессы биосистем регулируются информационными программами и связями. Информационные характеристики биосистем следует рассматривать как содержание их организации, отражающее все их внутренние и внешние признаки» [6, С. 27].

Важнейшим подходом к понятию информации явилось появление кибернетики, как науки об управлении и связях в живых организмах [3]. Одним из фундаментальных положений этой теории явилось понятие «обратной связи» и разработка принципа управления по отклонению фактического состояния управляемого объекта от заданного, что явилось важнейшим доказательством информационного характера процессов регулирования и управления в биологии. Однако большие надежды, которые возлагались на кибернетику как новую фундаментальную общебиологическую науку, не оправдались.

Развитие теории биологической эволюции на базе продолжающегося усовершенствования методологии показывает ее важнейшее значение в совершенствовании теоретической биологии, но одного эволюционного подхода явно недостаточно для познания сущности жизни. Дальнейшее изучение научной картины мира показало, что эволюционные процессы свойственны всем объектам материального мира, что позволило разработать современную концепцию универсального (глобального) эволюционизма [7].

Итак, основной задачей теоретической биологии должно стать изучение общих особенностей различных типов биологических теорий. К началу XXI века стало ясным, что на базе какой-то одной из намеченных программ, а именно физико-химической, системной или эволюционной создание современной теоретической биологии не представляется возможным. Необходим принципиально другой творческий подход. Нам представляется наиболее продуктивным подход А. Эйнштейна к методу построения теоретической физики, который можно положить в основу любой теоретической науки: «Для применения своего метода теоретик в качестве фундамента нуждается в некоторых общих предположениях, так называемых принципах, исходя из которых он может вывести следствия. Его деятельность, таким образом, разбивается на два этапа. Во-первых, ему необходимо отыскать эти принципы, во-вторых – развивать вытекающие из этих принципов следствия. … Здесь не существует метода, который можно было бы выучить и систематически применять для достижения цели. Исследователь должен, скорее, выведать у природы четко формулируемые общие принципы, отражающие определенные общие черты совокупности множества экспериментально установленных фактов» [12, С. 5]. Именно такой подход, т.е. поиски наиболее фундаментальных биологических принципов, может стать наиболее результативным при любых попытках построения современной теоретической биологии. Причем эти принципы должны отвечать двум важнейшим условиям: во-первых, они должны быть применимы для всех биологических объектов, от одноклеточных организмов до высших млекопитающих всех известных форм организации, и, во-вторых, только для представителей биологической картины мира.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Бауэр Э. Теоретическая биология / Э. Бауэр. – СПб. : Росток, 2002. – 352 с.
2. Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера / В. И. Вернадский. – М. : Айрис-пресс, 2007. – 576 с.
3. Винер Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и машине / Н. Винер. – М. : Советское радио, 1968. – 327 с.
4. Воронцов Н. Н. Развитие эволюционных идей в биологии / Н. Н. Воронцов. – М. : КМК, 2004. – 432 с.
5. На пути к теоретической биологии. Пролегомены. – М. : Мир, 1970. – 180 с.
6. Пресман А. С. Организация биосферы и ее космические связи / А. С. Пресман. – М. : Гео-СИНТЕГ, 1997. – 240 с.
7. Степин В. С. Теоретическое знание / В. С. Степин. – М. : Прогресс-Традиция, 2003. – 744 с.
8. Теоретическая и математическая биология. – М. : Мир, 1968. – 445 с.
9. Уотермен Т. Проблема / Т. Уотермен // Теоретическая и математическая биология. – М. : Мир, 1968. – С. 11-29.
10. Хакен Г. Информация и самоорганизация / Г. Хакен. – М. : КомКнига, 2005. – 248 с.
11. Чернавский Д. С. Синергетика и информация / Д. С. Чернавский. – М. : ЛИБРОКОМ, 2013. – 304 с.
12. Эйнштейн А. Физика и реальность / А. Эйнштейн. – М. : Наука, 1965. – 359 с.
13. Энгельгардт В. А. Познание явлений жизни / В. А. Энгельгардт. – М. : Наука, 1985. – 304 с.
14. Bertalanffy L. General system theory – a critical review / L. Bertalanffy. // General Systems. – 1962. Vol. 7. – P. 1-20.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bauer E. Teoreticheskaya biologiya [Theoretical biology] / E. Bauer. – St. Petersburg : Rostok, 2002. – 352 p.
   [in Russian]
2. Vernadskii V. I. Biosfera i noosfera [Biosphere and noosphere] / V. I. Vernadskii. – Moscow : Airis-press, 2007. –
   576 p. [in Russian]
3. Viner N. Kibernetika, ili upravlenie i svyaz’ v zhivotnom i mashine [Cybernetics, or control and communication in the animal and the machine] / N. Viner. – Moscow : Sovetskoe radio, 1968. – 327 p. [in Russian]
4. Vorontsov N. N. Razvitie evolyutsionnykh idei v biologii [Development of evolutionary ideas in biology] /
   N. Vorontsov. – Moscow : KMK, 2004. – 432 p. [in Russian]
5. Na puti k teoreticheskoi biologii. Prolegomeny [Towards theoretical biology. Prolegomena]. – Moscow : Mir, 1970. – 180 p. [in Russian]
6. Presman A. S. Organizatsiya biosfery i ee kosmicheskie svyazi [Organization of the biosphere and its space connections] / A. S. Presman. – Moscow : Geo-SINTEG, 1997. – 240 p. [in Russian]
7. Stepin V. S. Teoreticheskoe znanie [Theoretical knowledge] / V. S. Stepin. – Moscow : Progress-Traditsiya, 2003. – 744 p. [in Russian]
8. Teoreticheskaya i matematicheskaya biologiya [Theoretical and mathematical biology]. – Moscow : Mir, 1968. – 445 p. [in Russian]
9. Uotermen T. Problema [Problem] // Teoreticheskaya i matematicheskaya biologiya [Theoretical and mathematical biology] / T. Uotermen. – Moscow, 1968. – P. 11-29. [in Russian]
10. Khaken G. Informatsiya i samoorganizatsiya [Information and self-organization] / G. Khaken. – Moscow : KomKniga, 2005. – 248 p. [in Russian]
11. Chernavskii D. S. Sinergetika i informatsiya [Synergetics and information] / D. S. Chernavskii. – Moscow : LIBROKOM, 2013. – 304 p. [in Russian]
12. Einshtein A. Fizika i real’nost’ [Physics and Reality] / A. Einshtein – Moscow : Nauka, 1965. – 359 p. [in Russian]
13. Engel’gardt V. A. Poznanie yavlenii zhizni [Cognition of the phenomena of life] / V. A. Engel’gardt. – Moscow : Nauka, 1985. – 304 p. [in Russian]
14. Bertalanffy L. General system theory – a critical review / L. Bertalanffy. // General Systems. – 1962. Vol. 7. – P. 1-20.

РСМД :: Биология и информатика: в ожидании третьего прорыва?

В альтернативной версии истории человечества, представленной в культовом аниме середины 1990-х «Shinseiki Evangelion», землян в 2015 г. ожидает очередной апокалипсис, который готовят ученые, занимающиеся геномикой, клонированием и биоинформатикой. Авторы называют его «третьим ударом». Ждет ли нас третий прорыв, который может дать принципиально новые знания в фундаментальной науке и принести новые лекарства и методы лечения в практическую медицину?

В альтернативной версии истории человечества, представленной в культовом аниме середины 1990-х «Shinseiki Evangelion» («Евангелион нового поколения»), землян в 2015 г. ожидает очередной апокалипсис, который готовят ученые, занимающиеся геномикой, клонированием и биоинформатикой. Авторы называют его «третьим ударом» (Third Impact).

В середине прошлого века Игорь Тамм, выдающийся физик, лауреат Нобелевской премии, утверждал, что наступающий век будет веком биологии – подобно тому, как XX век был веком физики. Если говорить о привлечении общественного внимания, то ученый, безусловно, оказался прав. Но так ли это с точки зрения прорывов в науке? По аналогии с аниме «Evangelion» можно сказать, что два «удара» или, точнее, прорыва уже состоялись. Ждет ли нас третий прорыв, который может дать принципиально новые знания в фундаментальной науке и принести новые лекарства и методы лечения в практическую медицину?

Рассмотрим одну из бурно развивающихся отраслей научного знания – биоинформатику. Как и во многих подобных ей междисциплинарных областях, довольно трудно дать ей строгое определение. В рамках настоящего обзора под биоинформатикой мы будем понимать применение информационных технологий для анализа биологических данных.

Цифры в биологии: от гороха Менделя до персональных геномов

Информационные технологии перестали быть уделом программистов и математиков, что привело к расширению круга биологических задач, решаемых с помощью компьютеров.

Исторически биология складывалась как описательная наука. Например, существенной частью работы Чарльза Дарвина как биолога в его экспедициях были иллюстрации, изображение различных видов животных. С появлением возможности оцифровывать изображения анализ графической информации вернулся в биологию в новом аспекте. В определенном смысле первым биоинформатиком можно считать Грегора Менделя, поскольку он использовал количественные данные для решения чисто биологической задачи: подсчитывая число горошин, имеющих различный фенотип в ряду поколений, он смог сформулировать законы наследственности.

Постепенно в биологии появлялось все больше параметров, которые можно было «пересчитать», и к статистической генетике добавились исследования динамики популяций, кинетики биохимических реакций и других процессов, протекающих в биологических системах. Хрестоматийно известная модель системы «хищник – жертва» была одним из первых примеров использования математики для моделирования биологических процессов. Существенным компонентом в этом развитии стало использование численных методов в биофизике для моделирования структуры и динамики биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.

Такие вычисления, безусловно, требовали значительных компьютерных мощностей, но о выделении биоинформатики в отдельную дисциплину речь не шла до середины 1980-х годов. Первым упоминанием термина «биоинформатика» в названии научной статьи считается работа «Новые направления в биоинформатике» («New Directions in Bioinformatics»), вышедшая в 1989 г.

Игорь Тамм, выдающийся физик, лауреат
Нобелевской премии, утверждал, что
наступающий век будет веком биологии –
подобно тому, как XX век был веком физики

В 1980-х годах в развитии разных наук и технологий наблюдались два тренда: во-первых, стали доступны в больших масштабах (сотни и тысячи) первые последовательности белков и нуклеиновых кислот, во-вторых, появились персональные компьютеры, позволившие биологам анализировать новые типы данных, справиться с которыми вручную было уже сложно. Например, программа PC/GENE, написанная швейцарским биоинформатиком Амосом Байрохом, работала на простейшем персональном компьютере PC/XT с тактовой частотой процессора 4 МГц и позволяла делать практически все, что было тогда нужно молекулярному биологу. Примерно тогда же (1986 г.) А. Байрох создал банк данных белковых последовательностей SwissProt, который и сегодня сохраняет свой статус всемирно известного и надежного информационного ресурса.

Не отставали и российские ученые и программисты. Можно вспомнить некоторые из пакетов программ, которые были созданы в начале 1990-х годов и по своей функциональности и инновационности не уступали зарубежным аналогам: GeneBee (МГУ), VOSTORG (Институт цитологии и генетики СО РАН), Samson (Институт математических проблем биологии, г. Пущино) и др. Информационные технологии перестали быть уделом программистов и математиков, что привело к расширению круга биологических задач, решаемых с помощью компьютеров.

Таким образом, к середине 1990-х годов биоинформатика заняла достойное место среди других отраслей знания. Признание ее значимости мировой научной общественностью было отмечено появлением мировых центров – «трех китов» биоинформатического мира: Европейского института биоинформатики (European Bioinformatics Institute, EBI, 1992), Национального центра биотехнологической информации США (National Centre for Biotechnological Information, NCBI, 1988 г.) и Банка данных ДНК Японии (DNA Data Bank of Japan, DDBJ, 1986 г. ). Следует отметить, что такой «взрывной» рост объема данных касался (и касается в основном до сих пор) преимущественно молекулярной биологии. Биополимеры, хранящие наследственную информацию (ДНК), а также те, которые выступают как непосредственные инструменты в биохимических реакциях в клетке (белки), можно представить как последовательность символов – своего рода букв в том или ином алфавите. Такого рода информация очень легко формализуется для хранения и обработки в вычислительных системах.

Если учесть, что большинство заболеваний связано не с одним, а со многими генами, то от радужных надежд на быстрый успех в медицинском применении открытий, связанных с геномом человека, почти ничего не остается.

Объемы данных в современной биологической науке таковы, что без применения информационных технологий их анализ практически невозможен. Наступающая эпоха персональных геномных данных, когда генетический код практически любого человека будет прочитан, делает роль биоинформатики еще весомее.

Бессмертны ли телевизоры, или о рекламной науке

День 26 июня 2000 г., безусловно, вошел в историю не только науки, но и всего человечества: на совместной пресс-конференции Б. Клинтон и Т. Блэр объявили о публикации первой версии генома человека. Ученые в целом трезво оценивали ситуацию, понимая, что прочитанная последовательность генома, все три миллиарда букв-нуклеотидов – это лишь начало. Даже само название статьи, в которой были опубликованы исследования генома, – «Первоначальное секвенирование и анализ генома человека» («Initial Sequencing and Analysis of the Human Genome») – подчеркивало предварительность полученных данных. Авторы прямо заявляли о том, что представляют черновую версию генома человека, предварительные результаты анализа данных. В отличие от ученых политики были настроены гораздо более оптимистично. Так, президент Б. Клинтон, завершая торжественную часть, заметил, что скоро мы будем жить по 150 лет, а наши внуки будут знать слово «рак» только как название созвездия.

Однако уже через 3–4 года наступило разочарование. Многие ученые стали говорить о «геномном пузыре», напоминающем «пузыри» биржевых спекуляций. Большинство из них признало, что практического использования этого открытия в медицине придется ждать еще долго, что для этого понадобится не только терпение, но и понимание того, что можно сделать с этими данными.

circos.ca
Предварительные результаты
картирования генома. ENCODE

Гены, которые кодируют белки, составляют лишь около 1% от всего генома. Поэтому представлять себе, что получение информации обо всех белках и их генах способно радикально улучшить ситуацию и привести к прорывам в области создания новых лекарств и методов лечения, было бы не вполне правильным.

Классический пример – муковисцидоз, наследственная болезнь, вызываемая мутацией в одном из генов, кодирующих регуляторные белки. Примечателен заголовок статьи, опубликованной в журнале «Nature», – «Один ген и двадцать лет» («One Gene, Twenty Years»). Он как бы подчеркивает тот факт, что даже в таком, казалось бы, простом случае, когда известна конкретная «поломка» в гене, вызывающая болезнь, мы все еще далеки от победы над этой болезнью. А если учесть, что большинство заболеваний связано не с одним, а со многими генами, то от радужных надежд на быстрый успех в медицинском применении открытий, связанных с геномом человека, почти ничего не остается.

Через три года после публикации генома человека был создан международный консорциум ENCODE (Encyclopedia Of DNA Elements). Главной целью проекта стало детальное описание всех генов и других элементов генома, создание своего рода карты или энциклопедии. В 2012 г. предварительные результаты картирования были опубликованы в большой обзорной статье и в 29 дополнительных статьях, посвященных отдельным биологическим проблемам.

По сути, участники консорциума попытались понять, какой функции соответствует тот или иной участок генома человека. Используя экспериментальные техники и методы биоинформатики, они обнаружили, что около 80% последовательности ДНК генома может быть прочитано, и на ее основе может быть синтезирована РНК (этот процесс называется транскрипцией). Если же этот участок хромосомы не считывается, он может быть модифицирован химически, чтобы выполнять функции регулятора, включая или выключая считывание тех или иных участков геномной ДНК. Авторы исследований провели также эволюционный анализ, сравнив между собой геномы различных видов приматов и млекопитающих, и пришли к следующему выводу: если один и тот же участок ДНК похож у разных видов животных, это означает, что в процессе эволюции он изменяется слабо или не изменяется совсем. Следовательно, функция данного участка важна для функционирования клетки или всего организма в целом.

Следует различать то, что часто называют «рекламной наукой» («publicity science»), и реальное научное знание, которое и ведет к практическому применению открытий.

Проект ENCODE был, безусловно, важным шагом в исследовании генома человека. Прочитав геном, ученые записали буквы, из которых он состоит. Теперь нужно было понять, какие слова записаны этими буквами, понять фразы этого языка. Однако биологические системы отличаются беспрецедентной сложностью структуры и организации протекающих в них процессов, что исключает возможность простых и быстрых решений.

Публикация данных ENCODE вызвала бурное обсуждение в научной среде. Одна из наиболее ироничных и обсуждаемых статей называлась «О бессмертии телевизоров, или что такое “функция” в геноме человека (по евангелию от ENCODE, без эволюции)» («On the Immortality of Television Sets: “Function” in the Human Genome According to the Evolution-Free Gospel of ENCODE»). Авторы статьи резонно замечали, что в публикациях консорциума ENCODE непомерно раздута функциональная сторона проблемы, что утверждение о функциональной значимости 80% генома человека основано на логически противоречивых допущениях, не принимающих в расчет положения теории молекулярной эволюции и другие фундаментальные биологические постулаты.

innovaworld.ru
Устройство для чтения ДНК (мини-
секвенатор)

Если функциональность участков генома не поддерживается естественным отбором, они будут накапливать повреждающие мутации и перестанут функционировать. Абсурдная альтернатива этому утверждению, принятая в качестве позиции авторами ENCODE, заключается в том, что они полагают, будто бы повреждающие мутации могут происходить в участках генома, имеющих функциональное значение. Это утверждение равносильно тому, что телевизор, предоставленный сам себе, будет так же работоспособен через миллион лет, поскольку он не будет ржаветь, изнашиваться, подвергаться воздействию разрядов статического электричества или землетрясений.

Не преуменьшая глобального значения проектов «Геном человека» и ENCODE, все же следует различать то, что часто называют «рекламной наукой» («publicity science»), и реальное научное знание, которое и ведет к практическому применению открытий.

Биологические системы невероятно сложны, и описать простыми словами и уравнениями законы их функционирования пока удается лишь для достаточно простых ситуаций. Дело здесь не только в том, что компьютерные мощности отстают от темпов, с которыми новые технологии производят биологические данные (например, секвенирование нового поколения – next-gen sequencing). Проблемы, с которыми сегодня сталкиваются математики, во многом схожи с теми, которые обнаруживались в физике при смене классической парадигмы на квантовую.

Одна из интересных работ по философии науки так и называется: «Математика – новый микроскоп для биологии, только лучше; биология – новая физика для математики, только лучше» («Mathematics Is Biology’s Next Microscope, Only Better; Biology Is Mathematics’ Next Physics, Only Better»). Автор статьи профессор Дж. Коэн описывает десять основных вызовов, с которыми сталкиваются биологи и математики. По его мнению, необходимость анализировать и моделировать сложные биологические системы, от клеток до биоценозов, может привести к созданию новых теорий и алгоритмов в математике и вычислительной технике. Нынешняя ситуация, считает ученый, аналогична той, которая сложилась в физике в начале XX века и привела к созданию квантовой механики и теории относительности.

Будущее где-то рядом: от генов к лекарствам

Третий прорыв (Third Impact) в биоинформатике многие связывают с тем, что называется «Большие данные» (Big Data).

Итак, можно сказать, что два прорыва уже состоялись: геном человека и ENCODE. Что можно ожидать в ближайшем будущем – нового прорыва или стагнации?

Одним из наиболее заметных изменений в экспериментальной молекулярной биологии стало открытие относительно дешевых методов секвенирования последовательностей ДНК и РНК. Сегодня прочтение полного генома человека может стоить около 1000–1500 долл., при этом цена быстро снижается. Такой прогресс связан с появлением технологий секвенирования нового поколения (Next-Generation Sequencing, NGS). Основной игрок в данном сегменте рынка – компания «Illumina», ее серьезные противники – «Pacific Biosciences» и «Life Technologies» с технологией Ion Torrent. В большинстве этих методик геном разбивается на короткие фрагменты (длиной несколько сотен букв-нуклеотидов), которые очень быстро прочитываются тем или иным физико-химическим способом. Таким образом, геном человека представляется как файл, содержащий несколько десятков миллионов коротких фрагментов.

Однако технологии развиваются, и одним из многообещающих выглядит подход, разрабатываемый компанией «Oxford Nanopore». Данная технология еще не вышла из стадии первых тестов, но уже привлекла к себе внимание не только ученых, но и средств массовой информации. Оказалось, что геном можно читать почти целиком, используя USB-устройство, не намного превышающее по размеру обычную флеш-карту. В теории эта технология позволяет прочитывать более длинные фрагменты генома (до 100 тыс. нуклеотидов), но пока точность такого прочтения составляет около 10%. Мини-секвенатор лишь считывает первичные данные, а основная вычислительная работа происходит на облачном сервере компании.

Прочтение последовательностей генома как набора коротких фрагментов имеет свои ограничения. Пока не существует алгоритмов, способных собрать полную последовательность генома человека из миллионов коротких фрагментов, прочитанных секвенаторами. Поэтому применяемый сегодня анализ называют ресеквенированием. В этом случае все фрагменты генома сравниваются с некой базовой последовательностью, своего рода канонической версией генома, собранной из геномов нескольких людей. Конечно, такая последовательность будет некоторым обобщением, а не реальным геномом конкретного человека. В свою очередь, в процессе ресеквенирования фрагменты индивидуального генома сравниваются с канонической версией, и таким образом находятся различия, которые могут характеризовать именно этого человека или, если сравнивать между собой несколько индивидуальных геномов, группу людей (например, страдающих определенной наследственной болезнью).

Ресеквенирование ДНК позволяет понять устройство генома. Для того чтобы узнать, как он работает, используются другие методики, в том числе секвенирование РНК (RNA-Seq). Эта методика помогает определить, «включен» ли в клетке тот или иной ген, производит ли он РНК, на которых синтезируется белок, выполняющий ту или иную функцию. Методики иммунопреципитации хроматина (Chromatin Immuno Precipitation, ChIP) дают возможность понять, как происходит регуляция работы генов, как тот или иной белок «включает» либо «выключает» работу генов, подстраивая работу клетки или организма под изменения внешних условий.

Секвенирование – не единственный способ получения биологических данных. Большое распространение получили так называемые биочипы, или ДНК-микрочипы (microarrays). Эта технология была впервые применена к анализу геномов в лаборатории академика А. Мирзабекова и с тех пор широко используется как достаточно дешевая альтернатива методам секвенирования, особенно в медицинской диагностике. Она позволяет быстро определить, несет ли геном пациента мутацию, которая будет влиять на успешность лечения его тем или иным лекарством.

Объемы данных растут, но, к сожалению, понимание того, что за ними стоит, все еще очень далеко от того, что необходимо для практического использования, прежде всего в медицине.

Можно также назвать методики, которые непосредственно подсчитывают количество тех или иных молекул в клетках, в частности, технологии нанострун или количественные методы анализа белков с применением масс-спектрометрии.

Вернулись в «большую биологию» и рисунки. Компьютерный анализ изображений используется не только в таких очевидных случаях, как диагностика рака по морфологии клеток и тканей, но и в изучении динамики биохимических реакций в клетках на молекулярном уровне.

Все перечисленные методики производят огромное количество данных самых разных типов. Разумеется, их обработка, анализ и хранение невозможны без применения компьютеров, и биоинформатика играет здесь первостепенную роль. С одной стороны, речь идет о разработке новых алгоритмов для анализа и интеграции гетерогенных данных. С другой стороны, необходимо решать чисто инженерные проблемы организации хранения и доступа к данным разной степени защищенности (например, к клиническим). Иными словами, третий прорыв (Third Impact) в биоинформатике многие связывают с тем, что называется «Большие данные» (Big Data).

* * *

Один из основных вызовов, с которыми сталкивается биоинформатика в условиях прогресса в области методик секвенирования геномов, сформулирован в форме своеобразного мема профессором Джорджем Черчем – «геном за тысячу, его интерпретация за миллион» («1K Genome and 1M Interpretation»). Объемы данных растут, но, к сожалению, понимание того, что за ними стоит, все еще очень далеко от того, что необходимо для практического использования, прежде всего в медицине. Во многом это обусловлено тем, какие данные производят современные технологии. Последовательность генома дает статичную картину. Это описание того, с каким набором генетических инструкций родился тот или иной человек. Как эти инструкции будут работать в течение его жизни, какие из них проявят себя (и в какой степени), а какие вообще не будут включены – все это зависит от огромного количества внешних факторов. К тому же из-за того, что сборка de novo полного генома человека из фрагментов секвенирования пока невозможна, анализ данных сводится преимущественно к поиску различий между людьми и через эти различия – к объяснению функции того или иного участка генома. Признаки могут быть либо нейтральными (цвет глаз, группа крови, средний рост), либо патологическими (та или иная наследственная болезнь). Различия в том или ином гене (говоря шире, в участке генома) связаны с тем или иным внешним признаком, и таким образом можно понять его функциональную роль. Безусловно, здесь «Большие данные» имеют большое значение. Чем больше пациентов с той или иной болезнью будет проанализировано, тем надежнее будет статистика, и тем точнее удастся определить генетические маркеры, соответствующие данному заболеванию. Неудивительно, что в настоящее время генетическая диагностика переживает новый бум.

Однако от разработки метода диагностики до его внедрения в широкую клиническую практику проходит достаточно много времени. Первые клинические тесты с использованием секвенирования нового поколения были официально одобрены американским агентством по контролю над пищевыми продуктами и лекарственными препаратами (FDA) всего лишь год назад. Это связано с тем, что до сих пор генетические тесты обнаруживают лишь наиболее очевидные и легко объясняемые признаки. Количество пока еще не перешло в качество, и обилие данных о новых участках генома, связанных с патологическими или нормальными признаками, не дает достаточных оснований для прорыва в получении нового биологического знания. Ситуация похожа на ту, которая возникла с прочтением генома человека: ученые просто каталогизируют признаки, приписывая их к разным участкам генома. Это относится не только к секвенированию, но и к другим способам получения данных, таким как биочипы, масс-спектрометрия, анализ изображений. Накопление новой информации происходит лавинообразно, и многое из нее уже получает практическое применение.

Оптимизм внушает тот факт, что биология всегда развивалась от накопления данных к их обобщению. Остается надеяться на то, что прорыва придется ждать недолго. Без биоинформатиков, этих «бухгалтеров от биологии», он сейчас невозможен.

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

Почему сейчас? — Новая биология для 21-го века

Пришло время инвестировать в развитие новой биологии, потому что науки о жизни находятся в разгаре исторического периода, аналогичного началу 20-го века в физических науках. Открытие электрона в 1897 году ознаменовало собой начало крупного поворотного момента в истории науки. В течение следующих нескольких десятилетий физика, химия и астрономия претерпели изменения. Физики открыли фундаментальные составляющие материи и энергии и обнаружили, что эти составляющие взаимодействуют неожиданным образом. Химики связывали строение и свойства веществ с взаимодействием электронов, окружающих атомные ядра. Астрономы связали свет, получаемый от звезд и солнца, с химическими свойствами атомов, излучающих этот свет. Таким образом, новые связи внутри физических наук стали очевидными и привели к дальнейшему прогрессу.

Эти теоретические достижения также привели к практическим применениям, которые изменили общество. Наличие «списка частей» физического мира позволило ученым и инженерам разработать технологии, которые были бы невозможны без этого понимания. Эти технологии привели, в свою очередь, к электронной промышленности, компьютерной индустрии и индустрии информационных технологий, которые вместе создали мир, который едва ли можно было представить себе столетие назад.

До перехода, связанного с открытием электрона, ученые собирали все больше данных, но эти данные не могли быть использованы в полной мере из-за отсутствия концептуальной основы. После этого открытия ранее собранные данные приобрели новую полезность, появились совершенно новые области исследований, а открытие и применение быстро ускорились. Такие открытия являются критическими моментами, которые направляют науку и общество в новых направлениях.

Эти моменты быстрого ускорения научного прогресса имеют различное происхождение. Некоторые из них происходят благодаря технологическим достижениям, таким как изобретение телескопа или микроскопа. Некоторые из них происходят благодаря концептуальным достижениям, таким как описание эволюции путем естественного отбора или развитие теории относительности. В некоторых случаях есть главный драйвер; в других случаях сочетание нескольких факторов ускоряет прогресс. Новые открытия и новые технологии не гарантируют ускорения открытий. Мир должен быть готов к изменениям, и должны быть доступны инструменты и ресурсы, чтобы извлечь выгоду из новых возможностей или знаний.

Этот комитет считает, что науки о жизни в настоящее время находятся в такой точке перегиба. Все ближе приближается возможность понимания того, как все части живых систем работают вместе в биологических организмах и экосистемах. Это понимание может оказать глубокое влияние на будущее человечества. Это могло бы помочь производить достаточно пищи для растущего населения, предотвращать и лечить хронические и острые заболевания, удовлетворять будущие потребности в энергии и управлять сохранением биологического наследия Земли для будущих поколений.

Приближение этого момента возможности в науках о жизни становится все более очевидным в последнее десятилетие, и во многих отношениях Новая биология уже начала появляться. Стало обычным слышать заявления о том, что 21 век будет веком биологии. Какие факторы привели биологию к этому моменту? И какие современные идеи, инструменты и подходы представляют появление новых возможностей?

ФУНДАМЕНТАЛЬНОЕ ЕДИНСТВО БИОЛОГИИ НИКОГДА НЕ БЫЛО БОЛЕЕ ЯСНЫМ И ПРИМЕНИМЫМ

Огромный потенциал наук о жизни по одновременному вкладу в столь многие области социальных потребностей основывается на том факте, что биология, как физика и химия, опирается на небольшое количество основных организационных принципов. Реальность этих основных общих черт, сохраняющихся на протяжении всей эволюции, — что ДНК является химическим веществом наследственности, что клетка — это наименьшая независимая единица жизни, что клетки могут быть организованы в сложные многоклеточные организмы, что все организмы функционируют во взаимозависимых сообществах и что фотосистемы улавливают солнечное излучение для обеспечения энергией всех жизненных процессов — это означает, что любые знания, полученные об одном геноме, клетке, организме, сообществе или экосистеме, полезны для понимания многих других. Поскольку живые системы настолько сложны, многие биологические эксперименты должны были быть сосредоточены на отдельных или небольшом количестве компонентов в пределах одного организационного уровня. Редукционистский подход помог раскрыть многие основные молекулярные, клеточные, физиологические и экологические процессы, управляющие жизнью.

Эту работу необходимо продолжить в будущем. Многие аспекты биологической функции остаются неизвестными на всех уровнях. Но сейчас биологи получают возможность выйти за рамки взаимодействия компонентов в пределах одного уровня биологической организации и изучения одного или нескольких компонентов одновременно. Как сказал микробиолог и эволюционист Карл Вёзе более 30 лет назад: «Наша задача сейчас — заново синтезировать биологию; вернуть организм в окружающую среду; соедините его снова с его эволюционным прошлым…. Пришло время биологии войти в нелинейный мир (Woese & Fox, 19).77). Сейчас начинает проявляться практическая возможность реализовать видение Вёзе. Биологи все чаще могут интегрировать информацию о многих организмах, с разных уровней организации (таких как клетки, организмы и популяции) и о целых системах (таких как все гены в геноме или все клетки в организме), чтобы получить новое интегрированное понимание, которое включает в себя все больше и больше сложности, характеризующей биологические системы (вставка 3.1).

ВСТАВКА 3.1

Уровни сложности биосферы. ИСТОЧНИК: Комитет по новой биологии 21 века.

По мере развития биологических наук в течение 20-го века появились отдельные области для изучения сложных подсистем, которые вместе составляют живые системы. Генетика, клеточная биология, экология, микробиология, биохимия и молекулярная биология взяли на себя различные аспекты задачи. Огромный объем знаний, генерируемых в каждой из этих субдисциплин, затруднял для исследователей, изучавших организмы, идти в ногу с прогрессом, достигнутым исследователями, изучающими клетки, а те, кто изучал молекулы, редко взаимодействовали с теми, кто изучал экосистемы. Ученые каждой из этих специальностей посещали отдельные встречи, публиковались в разных журналах и, как правило, мало общались. Хотя на концептуальном уровне было понятно, что организационные уровни тесно взаимосвязаны, большинство исследователей уделяли большое внимание одной системе.

Однако в последнее время стало легче изучать связи между областями наук о жизни. Например, , инструментов и концепций, которые возникли в рамках отдельных дисциплин наук о жизни, теперь применяются во всей биологии. Таким образом, биохимия и молекулярная биология теперь являются методами, которые почти повсеместно применяются в науках о жизни. Геномные данные и методы имеют широкое применение в биологии и выявляют связи между областями. В частности, геномные сравнения выявляют общее происхождение организмов и позволяют исследователям проводить сравнения разных типов организмов (вставка 3.2), а также подчеркивают различия, возникшие в отдельных эволюционных линиях. Эти межвидовые исследования начали стирать границы между такими областями, как микробиология, ботаника и зоология. Обнаружение и понимание особенностей, общих для всех живых организмов, и различий, которые делают каждую систему или организм уникальными, никогда не было таким простым и продуктивным.

ВСТАВКА 3.2

Общее происхождение и интеграция наук о жизни. Хотя каждый вид на планете в чем-то уникален, все виды связаны друг с другом общим происхождением: то есть любые два вида произошли от общего предка, жившего в какой-то момент (подробнее. ..)

Несмотря на развитие общих инструментов, вопросов и методологий, ученые в рамках исторически обособленных поддисциплин до сих пор не имеют оптимального уровня взаимодействия. Это особенно верно, когда цель состоит в том, чтобы разработать новую науку, связывающую несколько уровней организации в биологических системах. Чтобы ускорить прогресс в науках о жизни, исследователи из разных дисциплин должны в большей степени взаимодействовать и сотрудничать. Предоставление этим сообществам общей проблемы для решения даст им возможность использовать свои различные навыки и точки зрения и ускорить разработку концептуальных и технологических подходов к пониманию связей между различными уровнями биологической организации (вставка 3.3).

ВСТАВКА 3.3

Эко-Эво-Дево: Интеграция между субдисциплинами. Область эволюционной биологии развития (известная как эво-дево) возникла за последние 15 лет. Он предлагает яркий пример потенциала интеграции биологической теории и практики в (подробнее. ..)

НОВЫЕ ИГРОКИ ВХОДЯТ В ПОЛЕ, ПРИНОСЯ НОВЫЕ НАВЫКИ И ИДЕИ

По мере того, как интеграция становится все более важной в жизни наук, огромное значение приобретает интеграция наук о жизни с другими дисциплинами. Например, недавняя и продолжающаяся революция в геномике произошла в результате интеграции методов и концепций из инженерии, робототехники, компьютерных наук, математики, статистики, химии и многих других областей. Резкое снижение стоимости секвенирования генома было бы невозможно без сочетания разработки оборудования, робототехники для автоматизации, химии и биохимии для обеспечения точности секвенирования. Точно так же для анализа необработанных геномных данных и расширения использования этих данных в других областях был необходим опыт в таких разных областях, как эволюционная биология, информатика, математика и статистика.

Необходимость анализа этих данных привела к быстрому расширению применения математики в биологии. В частности, два аспекта вычислений были критическими. Во-первых, алгоритмы и вычислительная мощность для анализа больших наборов данных помогают разобраться в огромных объемах данных, полученных в результате геномных исследований. Во-вторых, размещение данных в доступных цифровых базах данных значительно улучшило возможность обмена информацией и использования результатов предыдущей работы. Такие успехи в вычислениях имели решающее значение во многих областях биологии, таких как исследования экосистем, биология сохранения, эволюционная биология и эпидемиология. Каждая из этих областей должна обрабатывать большие сложные наборы данных, оцифровывать и обмениваться информацией, а также тестировать сложные модели и теории. Для выполнения этой работы биология воспользовалась разработками из других областей, таких как физика, астрономия и науки о Земле, которые в течение многих лет обрабатывали и анализировали массивные массивы данных. Наборы биологических данных особенно сложны, потому что они должны охватывать очень много разнообразных организмов и измерять множество различных характеристик, которые постоянно меняются. Соединить эти наборы данных чрезвычайно сложно, но абсолютно необходимо. Успех потребует тесного сотрудничества между биологами и другими учеными, изучающими систему, учеными-компьютерщиками и математиками, которые разрабатывают новые способы анализа данных, и инженерами, обладающими опытом моделирования.

Проблема предсказуемости является одной из основных причин, по которой даже нынешний уровень интеграции наук о жизни с инженерией уже является продуктивным. Инженерия предлагает способ мышления, который может внести существенный вклад в разгадку сложности, присущей биологической науке. Суть инжиниринга — предсказательный дизайн. Инженеры стремятся создавать системы, которые могут надежно работать в определенных условиях. Более того, инженерное проектирование почти всегда осуществляется в условиях неполной информации. Даже в технологиях, основанных на физических и химических науках, остается много плохо охарактеризованных параметров. Эти ограничения также применимы к биологическим системам, даже при самых благоприятных обстоятельствах, поэтому использование инженерного мышления для решения биологических вопросов уже начинает добавлять новый уровень ценности фундаментальным биологическим исследованиям.

Уже сегодня в биологические науки вовлекается большое количество физиков, и группы, включающие инженеров, геологов, биологов, ученых-вычислителей и других, начинают по-новому осмысливать биологические исследования и подходить к ним (вставки 3.4 и 3.5). Что должно произойти дальше, так это то, что границы между дисциплинами будут разрушены еще больше, подобно тому, как разрушаются границы внутри биологии. Претворение Новой Биологии в жизнь потребует не только лучших технологий и науки, но и уникального междисциплинарного подхода. Усилия, предпринимаемые на сегодняшний день, следует рассматривать как «первый этап», а не как полную интеграцию в нескольких областях. Конечная цель состоит в том, чтобы все ученые и инженеры, изучающие биологические системы, независимо от того, имеют ли они глубокую подготовку в области физики, математики или химического машиностроения, также видели себя новыми биологами, которые вместе вносят свой вклад в появление Новой биологии.

КОРОБКА 3.

4

Интерфейсы мозг-машина. Интерфейсы мозг-машина — это системы, которые позволяют людям или животным управлять внешним устройством посредством их мозговой активности. В 2003 году ученые продемонстрировали, что обезьяны с имплантированными электродами в мозгу подключены к (далее…)

ВСТАВКА 3.5

Нанотехнологии — искусственная сетчатка. Взаимосвязанный характер физических наук и наук о жизни иллюстрируется прогрессом, достигнутым с искусственной сетчаткой, устройством, появившимся в результате многолабораторной инициативы, поддержанной (далее…)

ПРОЧНЫЙ ФУНДАМЕНТ УЖЕ ЗАЛОЖЕН

За последние 40 лет благодаря крупным инвестициям были сделаны замечательные открытия в биологических науках. Эти открытия в значительной степени произошли благодаря редукционистскому подходу к основным молекулярным компонентам клеток, который открыл многие молекулярные и клеточные процессы, управляющие жизнью. Работа, сосредоточенная на других уровнях организации — организмах, сообществах и экосистемах — также привела к новым глубоким открытиям.

Редукционизм, который расчленяет и анализирует отдельные компоненты живых систем, чтобы вывести механизмы и объяснить поведение целого, оказался чрезвычайно успешным. И ничто в этом отчете не должно интерпретироваться как предполагающее, что поддержка того, что часто называют «малой наукой», должна уменьшиться, а на самом деле должна вырасти, поскольку традиционный подход к исследованиям в области наук о жизни будет по-прежнему оставаться основным источником открытий и инноваций. Она уже произвела революцию в представлениях о молекулярных взаимодействиях и функционировании клеток, раскрыла многие процессы, обеспечивающие развитие многоклеточного организма из оплодотворенной яйцеклетки, и определила многие факторы, способствующие стабильности экосистемы. Попытка составить «список деталей» для живых систем сама по себе была чрезвычайно захватывающим интеллектуальным приключением и имела революционные результаты, такие как биотехнологическая революция в медицине и сельском хозяйстве. Постоянная поддержка рецензируемых, инициированных исследователями исследований по широкому спектру биологических наук имеет решающее значение. Новая Биология не может заменить — более того, не будет процветать без — этих усилий. Строительство автомагистрали между штатами не означает, что обслуживание местных дорог может быть прекращено; две системы зависят друг от друга и извлекают выгоду из них. Точно так же необходима постоянная поддержка науки, закладывающей основу для синтеза.

ПРОШЛЫЕ ИНВЕСТИЦИИ ПРИНОСЯТ БОЛЬШИЕ ДИВИДЕНДЫ

Выпуск в 2000 году проекта последовательности генома человека стал результатом десятилетней программы, в которую были вложены миллиарды долларов. Финансирование этого проекта поступило от нескольких правительственных учреждений США (особенно от Национального института здравоохранения и Министерства энергетики), а также из международных государственных и частных источников. Кроме того, развитию проекта способствовала конкуренция и сотрудничество с частным сектором, а также разработка новых технологий.

Секвенирование человеческого генома было целью, схожей с отправкой людей на Луну, поскольку наука и технология, необходимые для выполнения миссии, не существовали, когда цель была объявлена. Но были разработаны новые технологии и концепции, которые теперь стали обычными компонентами всех проектов секвенирования генома. Масштабы задачи стимулировали творческое взаимодействие, ведущее к революционным достижениям. Многие из достижений в технологии секвенирования были постепенными, но были и некоторые разработки, которые изменили правила игры, такие как демонстрация того, что случайное секвенирование с дробовиком может быть успешно применено к большому сложному геному. Такое преобразующее событие невозможно предсказать, но постановка важной цели и предоставление ресурсов для ее достижения повышает вероятность того, что творческие умы обратятся к разработке революционных новых подходов в дополнение к постепенному прогрессу.

Случайное секвенирование методом дробовика, при котором компьютер обнаруживает перекрытия необработанных «прочтений» секвенирования для построения полного генома, не считалось полезным для секвенирования генома человека из-за размера и сложности человеческого генома. Однако с развитием новых методов секвенирования и вычислительных методов (разработанных инженерами и учеными-вычислителями, которые направили свои усилия на решение биологических проблем) секвенирование генома дробовика стало стандартным методом секвенирования генома и привело к экспоненциальному увеличению числа полных или почти полные геномы доступны. Это, в свою очередь, привело к развитию технологий секвенирования следующего поколения, которые производят огромные объемы данных о последовательностях, которые можно проанализировать только с помощью вычислений.

С быстрым развитием возможностей секвенирования и анализа секвенирование ДНК стало обычным инструментом в непредвиденных областях. Хорошим примером является метагеномика, которая включает в себя случайное определение последовательности ДНК, выделенной из образцов окружающей среды (например, из почвы или воды). Метагеномика дает представление о том, что ранее было в основном скрытым миром микробного разнообразия, что само по себе важно, поскольку микробы оказывают фундаментальное влияние на биогеохимические циклы планеты и на здоровье всех ее обитателей (вставка 3. 6). Другим примером является популяционная геномика, когда исследователи создают несколько полных геномов разных особей одного вида. Эти данные, в свою очередь, служат ценным вкладом во многие области биологии, включая генетику, селекцию растений и животных и изучение болезней. Другие биологические области, трансформируемые секвенированием генома, включают экологию, сельское хозяйство, исследования в области биоэнергетики, судебную экспертизу и биозащиту. Все это было бы невозможно без инструментов и ресурсов, разработанных в рамках усилий, направленных в первую очередь на секвенирование генома человека.

ВСТАВКА 3.6

Микробная геномика. Микробиология, посредством микробной геномики, переживает возрождение благодаря технологическим достижениям последних нескольких лет, которые позволили исследователям изучить разнообразие и метаболические возможности микробов (подробнее…)

За последние 15 лет были разработаны инструменты и технологии, которые расширили исследовательские возможности далеко за пределы секвенирования генома. Эти инструменты включают методы, позволяющие охарактеризовать наличие и количество многих других биологических молекул, включая транскрибированную РНК, белки, метаболиты, молекулы, секретируемые клетками, модели метилирования ДНК и так далее. Всеобъемлющие наборы данных, полученные об этих биологических молекулах, обычно называемых «омами» (транскриптомы, протеомы, метаболомы и т. д.), пока еще труднее и дороже создавать, и они менее стандартизированы, чем геномы. Достижения в этих технологиях будут иметь решающее значение для быстрого прогресса в науках о жизни.

Возможность собирать и анализировать эти комплексные наборы данных позволяет исследователям связывать и интегрировать компоненты биологических систем, что называется системной биологией. Они также позволяют исследователям исследовать организмы, отличные от модельных систем, которые изучались в прошлом. С относительно небольшими усилиями и затратами исследователи могут получить информацию о геноме организма, характере экспрессии генов и изменчивости популяции. Одним из результатов стало развитие таких областей, как «полярная геномика», «сельскохозяйственная геномика» и «экологическая геномика».

Взрыв непредвиденных преимуществ проекта «Геном человека» демонстрирует, как биология может извлечь выгоду из широкомасштабных междисциплинарных усилий. Еще один урок из проекта «Геном человека» заключается в том, что даже научные усилия, которые кажутся постепенными, могут привести к революционным достижениям. Подобные усилия по систематизации характеристик на других уровнях биологической сложности, таких как клетка, организм и сообщество, могли бы иметь столь же впечатляющие результаты.

НОВЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ВОЗНИКАЮЩИЕ НОВЫЕ НАУКИ РАСШИРЯЮТ ВОЗМОЖНОЕ

Недавние технологические достижения в ряде областей вне биологии сделали возможным беспрецедентный количественный анализ биологических систем. Эти области разнообразны, включая физику, электронику, химию, нанотехнологии, информатику и информационные технологии. В большинстве случаев инструменты и методы, разработанные для конкретных приложений в соответствующих областях, были адаптированы для использования при исследовании биологических систем. Но во многих случаях сложность биологических систем ставит новые задачи, которые требуют творческих решений и дополнительных инноваций. Последующие описания не претендуют на то, чтобы быть исчерпывающими или предписывающими. Они являются примерами тех технологий и наук, которые окажут серьезное влияние на многие области биологических исследований.

Основные технологии

Информационные технологии

Достижения в области информационных технологий (ИТ), особенно за последние два десятилетия, сильно повлияли на нашу частную жизнь и все аспекты жизни общества. Неуклонное увеличение мощности компьютеров, сопровождаемое резким снижением стоимости, было особенно примечательным. Вычисления, которые всего 10 лет назад занимали недели и требовали доступа к большим мейнфреймам, теперь можно выполнить за считанные минуты на ноутбуке.

Появление оптических волокон с пропускной способностью до 40 Гбит/с (ожидается 100 Гбит/с на 2010 г.) позволило беспрепятственно передавать по сети все большие объемы данных. Интерактивное и динамическое манипулирование и визуализация сложных изображений стали обычным явлением во многих повсеместных приложениях, особенно в компьютерных играх.

Следует понимать, что внедрение этих достижений требовало не только наличия специализированного оборудования, но, что очень важно, разработки сложного программного обеспечения (например, операционных систем и их удобных интерфейсов, алгоритмов, способных эффективно выполнять вычисления, программный протокол для обеспечения безошибочной передачи данных и стандарты обмена данными и связи между компьютерами и другими устройствами).

Влияние этих разработок было особенно далеко идущим для наук о жизни, потому что они пришлись на тот самый момент времени, когда науки о жизни переживают исторический переход от низкопроизводительной описательной экспериментальной дисциплины к высокопроизводительной пропускная способность все более количественной науки.

Более чем когда-либо прежде науки о жизни занимаются сбором, архивированием и анализом информации о живых организмах и их бесчисленных компонентах, и эти усилия распространяются по всему миру. Усилия по секвенированию генома во всем мире, включая недавние попытки секвенирования генома 1000 человек, генерируют терабайты данных секвенирования (1 ТБ [терабайт] = 1 триллион байтов), которые необходимо обрабатывать, хранить и анализировать. В то время как информацию о последовательностях генома относительно просто представить из-за ее одномерной природы, гораздо сложнее представить информацию о биологической функции генов и белков и их организации в динамические клеточные процессы.

Тем не менее, большая часть результатов исследований в области наук о жизни в настоящее время фиксируется в электронной форме, а базы данных теперь включают гораздо больше, чем просто данные о последовательности ДНК. Биологическая визуализация и сканирование производят огромное количество данных о биомолекулах, клетках, органах, организмах и окружающей среде, которые трудно индексировать и интерпретировать из-за их трехмерной изобразительной или даже четырехмерной динамической природы. Часто бывает необходимо сохранить такие данные в необработанном виде из-за неопределенности того, как они в конечном итоге будут обобщены и систематизированы для последующего анализа различными пользователями. Огромный размер некоторых из этих файлов предполагает, что потребуются некоторые решения о том, что нужно сохранить или сделать легкодоступным. Приложения в коммерции, поиске в Интернете и сборе данных в науке стимулировали развитие систем баз данных для обработки больших объемов данных и предоставления универсальных инструментов для облегчения взаимодействия с пользователем, управления данными и визуализации. Тем не менее, объем, сложность и разнообразие биологических данных, а также отсутствие надлежащих концептуальных основ для их представления и анализа будут продолжать расширять границы методов моделирования данных и технологий баз данных.

Визуализация клеток, организмов и экосистем in vivo и в реальном времени

Технологии визуализации in vivo и в реальном времени включают связанный набор таких методов, как флуоресценция, флуоресценция с полным внутренним отражением, ближнепольная и конфокальная микроскопия, и функциональная магнитно-резонансная томография и связанные с ними технологии, такие как манипулирование флуоресцентными белками, флуоресцентными красителями и контрастными реагентами МРТ на клеточном и организменном уровне.

Клетки плотно упакованы тысячами взаимодействующих компонентов, которые необходимо производить, транспортировать, собирать в комплексы и перерабатывать в нужное время и в нужном месте. В то время как методы протеомики, такие как те, которые обсуждаются ниже, направлены на обеспечение крупномасштабной систематической характеристики компонентов клеток или других биологических образцов, современные технологии не позволяют наблюдать за пространственной и временной организацией этих объектов, пока они работают в клетках. Основным ограничением для достижения понимания живых клеток на системном уровне является отсутствие экспериментальных инструментов, которые могут анализировать сложные внутренние комплексы клетки по мере их формирования, работы и разборки. Некоторые экспериментальные инструменты, описанные ниже, начинают заполнять этот пробел; значительный прогресс в этой области был бы ценным для всех наук о жизни.

Недавние достижения в области методов визуализации, таких как криогенная электронная томография (Крио-ЭТ), дают возможность картографировать клеточные ландшафты с ранее недостижимым разрешением менее 10Å, с прогнозами достижения разрешения, близкого к атомному, в определенных случаях (Leis et al. , 2009). На сегодняшний день крио-ЭТ-анализ в основном ограничивался изолированными макромолекулярными ансамблями, небольшими бактериальными клетками или тонкими участками более сложных клеток из-за ограниченной глубины проникновения электронов. Однако недавно разработанные методы криосрезов позволяют преодолеть эти ограничения и получить подробные изображения многих видов клеток и тканей. Интерпретация этих взглядов зависит от помощи различных методов маркировки белковых компонентов (иммунная маркировка или использование флуоресцентных меток) и является быстро развивающейся областью. Эти методы могут быть дополнены информацией из быстро расширяющегося репертуара известных трехмерных структур отдельных белков, поскольку атомные модели этих белков могут использоваться для расширения изображений с более низким разрешением, полученных с помощью метода Cryo-ET. Эта комбинация методов обеспечивает беспрецедентное понимание молекулярной организации клеточных ландшафтов.

Точно так же совершенствуется технология определения местоположения и активности отдельных клеток в живом организме. За последние два десятилетия был достигнут значительный прогресс в распространении применения флуоресцентных полупроводниковых нанокристаллов (также известных как квантовые точки или qdots) из электронного материаловедения в биологические системы (Gao et al., 2004). Примеры их недавнего использования в анализе биологических систем включают мониторинг диффузии отдельных рецепторных белков (например, глициновых рецепторов) в живых нейронах и идентификацию лимфатических узлов у живых животных с помощью ближнего инфракрасного излучения во время операции. Недавно были разработаны многофункциональные зонды на основе наночастиц на основе полупроводниковых квантовых точек (qdots) для нацеливания и визуализации рака у живых животных. Области применения включают целевые исследования in vivo рака предстательной железы человека, растущего у мышей, а также чувствительную и многоцветную флуоресцентную визуализацию раковых клеток в условиях in vivo (вставка 3.7). Кроме того, микрожидкостные и микротехнологические подходы дают возможность контролировать клетки и их компоненты с беспрецедентным уровнем разрешения.

КОРОБКА 3.7

Квантовые точки для биологических исследований. ИСТОЧНИК: Dahan et al., 2003.

Кроме того, в режиме реального времени доступны визуализация всего организма и дистанционное зондирование, включая спутниковое дистанционное зондирование и мультиспектральные изображения на уровне экосистемы. Проблемы, связанные с полной разработкой этих методов, включают обработку и анализ изображений, позволяющие визуализировать и автоматически распознавать признаки. Эта область важна для многих из выявленных центральных проблемных областей, включая продуктивность сельскохозяйственных культур (при анализе растительных клеток и роста тканей) и устойчивое растениеводство, экологический мониторинг с помощью визуализации экосистем и лучшее понимание здоровья человека благодаря достижениям. в медицинской визуализации. В той мере, в какой рост растений играет центральную роль в производстве биотоплива, эти технологические платформы также важны в этой области.

Спутниковое дистанционное зондирование земной поверхности, начавшееся в начале 1970-х годов, существенно повлияло на понимание распределения жизненных процессов на планете, а также привлекло критическое внимание к быстрым антропогенным изменениям в глобальных масштабах. Оптические датчики с широким спектром отражения, такие как серия спутников Landsat, использовались для измерения темпов обезлесения, и эти и аналогичные датчики в настоящее время регулярно используются для измерения этих темпов над тропической Южной Америкой. НАСА разработало глобальные наборы данных для 1980-х, 1990-х, 2000 и 2005 годов, которые охватывают практически всю земную поверхность в шести видимых и ближних инфракрасных спектральных диапазонах с пространственным разрешением примерно 30 м. Это мощный временной ряд фактического изменения растительного покрова и растительности на земной поверхности, который уже доказал свою полезность не только для понимания масштабов и темпов обезлесения и изменения среды обитания, но также для оценки масштабов и продуктивности сельского хозяйства.

Эти данные со средним разрешением были существенно дополнены выборкой с более высоким временным разрешением для более широкого диапазона спектральных коэффициентов отражения от датчиков, таких как MODIS, на платформах НАСА TERRA и AQUA. MODIS обеспечивает два раза в день выборку более широкого диапазона более точных спектральных полос и позволяет анализировать длинные (в настоящее время почти десятилетие) временные ряды чистой первичной продуктивности, распределения растительности, сезонности, температуры поверхности и, наряду с другими оптическими датчиками, океана. биологическая продуктивность посредством измерения цвета океана (т. е. наблюдения за концентрацией хлорофилла на поверхности океана).

Благодаря экспериментальным миссиям, полетам самолетов и некоторым космическим наблюдениям дистанционные измерения могут все чаще использоваться для получения конкретной информации о процессах или для непосредственного получения критических параметров. Примеры включают использование гиперспектральной информации для определения содержания азота и лигнина в растительном покрове и, следовательно, оценки потенциала фотосинтеза и определения распределения отдельных видов, использование радара с синтетической апертурой для оценки распределения надземной биомассы и использование лидаров для измерения распределение высоты растительного покрова и, таким образом, оценить вертикальное распределение древесной биомассы в дополнение к ее общей массе.

Науки о Земле и применение из космоса (Национальный исследовательский совет, 2007b) определил 17 миссий, многие из которых имеют конкретные биологические цели, связанные с пониманием взаимодействия экосистем, физической климатической системы и антропогенных нарушений. Они представляют собой лучшее на сегодняшний день резюме научного сообщества о фундаментальных достижениях, которые считаются возможными и которые изменят понимание того, как экосистемы функционируют сейчас и как они, как ожидается, будут функционировать в будущем.

Высокопроизводительные технологии

Последние достижения в технологиях секвенирования ДНК были огромными. Используя современные технологии нового поколения, Объединенный институт генома, возглавляемый Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли и Национальной лабораторией Лоуренса в Ливерморе, секвенировал более 20 миллиардов нуклеотидов в октябре 2008 года (Объединенный институт генома Министерства энергетики, 2009). Возможность секвенировать отдельные геномы или соответствующие части геномов окажет большое влияние на возможности разработки и доставки персонализированных лекарств, ускорения селекции растений и мониторинга условий окружающей среды. Затраты на секвенирование уже сейчас настолько низки, что не представляют собой барьера для экспериментов, которые были бы немыслимы еще пять лет назад. Во вставке 3.8 описан один новый подход к секвенированию, ставший возможным благодаря достижениям в области нанотехнологий.

ВСТАВКА 3.8

Нанотехнологии и секвенирование. Существует множество конкурирующих технологий для секвенирования ДНК (Shendure & Ji, 2008). Один из них представляет собой наглядный пример интерфейса между биологией и нанотехнологиями, именуемый одиночной молекулой, (подробнее…)

Белки играют ключевую роль практически во всех клеточных процессах. Измерение уровней их экспрессии и химических модификаций, которым они подвергаются в результате изменения клеточной среды, состояний развития и болезней, стало одной из основных задач современной биологии и медицины. Кроме того, белки редко действуют в одиночку. Они взаимодействуют друг с другом, часто образуя большие сооружения, действующие как сложные молекулярные машины. Систематическая характеристика этих взаимодействий необходима для выяснения функциональных взаимозависимостей между белками.

Технологические достижения за последние 10 лет сделали возможным проведение этих различных анализов в очень больших масштабах, что привело к возникновению области протеомики или изучения всех белков в конкретном биологическом образце (например, одну клетку или каплю слюны). Прогресс в методах молекулярной биологии и методах очистки в сочетании с методами масс-спектрометрии (МС) сыграли важную роль в этих достижениях, при этом МС все чаще становится методом выбора для анализа сложных белковых образцов.

Из различных методов анализа белков, основанных на МС, наиболее чувствительные в настоящее время способны обнаруживать белок, экспрессируемый на уровне всего нескольких сотен копий на клетку. Основанные на МС методы обнаружения белковых партнеров и белковых комплексов успешно идентифицировали тысячи белковых взаимодействий и сотни мультибелковых комплексов в простых организмах, таких как дрожжи и бактерии, и в настоящее время распространяются на высшие организмы, такие как мыши и человек.

Кремниевая микроэлектроника сделала вычисления еще быстрее, дешевле, доступнее и мощнее. Микрожидкостные чипы, миниатюрные приспособления, в которых более сотни клеточных культур или других экспериментов могут находиться в резиновой силиконовой интегральной схеме размером с четверть, могут принести аналогичную революцию автоматизации в биологические и медицинские исследования. Используя методы, заимствованные из инженерии, химии и физики, можно создать очень миниатюрные датчики и аналитические устройства, которые измеряют параметры в реальном времени на уровне отдельных клеток или даже субклеточных компартментов, позволяя изучать и управлять процессами на соответствующих функциональных уровнях.

Дороговизна, неэффективность, высокие требования к обслуживанию и пространству роботизированных систем автоматизации создают препятствия для проведения экспериментов. Напротив, микрожидкостные чипы недороги и требуют небольшого обслуживания или места. Им также требуется очень небольшое количество образцов и химических веществ, чтобы эксперименты работали, что делает их более эффективными и потенциально более дешевыми в использовании. Эти чипы изготавливаются с использованием оптической литографии для вытравливания рисунка схемы на кремнии. Протравленный кремний действует как форма. Силикон заливают в форму, а затем удаляют. Укладывая несколько слоев формованного силикона, а затем заключая их в стекло, исследователи могут создать интегральную схему каналов, клапанов и камер для химических веществ и клеток — наподобие эластичного лабиринта.

Чипы для клеточных культур, содержащие до 100 камер, предназначены для хранения отдельных клеток и всех микроскопических приспособлений, необходимых для добавления в эти камеры любых комбинаций различных химических веществ. Такие чипы можно использовать для проверки того, как различные входные данные могут заставить стволовые клетки трансформироваться в более специфические клетки, необходимые для конкретных видов лечения. Их также можно использовать для проверки того, как различные комбинации антибиотиков влияют на конкретную бактерию. Другие чипы могут быть предназначены для приготовления ценных и дорогих очищенных белков для структурного анализа методом рентгеновской дифракции. Утомительный процесс проб и ошибок подготовки кристаллов макромолекул можно значительно ускорить, используя микрожидкостные чипы. В недавнем отчете описывается новый тип микрожидкостного чипа, позволяющий проводить детальный анализ до дюжины различных белковых индикаторов заболеваний из одной капли крови менее чем за 10 минут (Chen et al., 2008). Такие чипы значительно снизят стоимость клинических лабораторных тестов, которые измеряют наличие и относительное количество определенных белков, тем самым обеспечивая раннее выявление таких заболеваний, как рак. «Сипперы» на основе микрофлюидов, которые позволяют контролировать содержимое клеток в живых системах, устройства, которые позволяют секвенировать геном одной клетки, и мультиплексные системы, которые отслеживают параметры с высокой пропускной способностью, — все это раздвигает границы нашего понимания динамики и сложности. живых систем (вставка 3.9) Эти подходы к мониторингу также начинают оказывать влияние на экологические науки, благодаря круглосуточному мониторингу функций среды обитания в режиме реального времени. Кроме того, в настоящее время разрабатывается возможность мониторинга параметров здоровья с помощью наручных часов, очков или даже контактных линз для мониторинга состояния здоровья в режиме реального времени и составления отчетов, которые могут происходить где угодно.

КОРОБКА 3.9

Химистрод. Химистрода — новое микрожидкостное устройство, созданное Рустемом Исмагиловым и его коллегами из Чикагского университета, которое «отсасывает» из живой клетки способом, аналогичным тому, как микроэлектрод измеряет электрический ток (далее…)

Основными областями, которые все еще требуют развития, являются наноразмерные электрохимические датчики, обеспечивающие мультиплексирование с оптическими датчиками, расширение существующей сенсорной технологии для широкого диапазона аналитов, создание новых платформ для легкого развертывания, а также повышение надежности и воспроизводимости для обеспечения диапазона биологически значимых измерений. Сочетание микрофлюидики с деталями, изготовленными из микрочастиц, также расширит область применения, а добавление удаленной передачи данных расширит использование этих устройств за пределами лаборатории. В будущем встроенные и в значительной степени невидимые системы для измерения, анализа и отчетности станут обычным явлением и завтра изменят нашу жизнь во многом так же, как миниатюрные коммуникационные технологии изменили наш мир сегодня.

Инженерные биологические системы

Понимание биологических систем и управление ими в решающей степени зависит от способности воспроизводимого выращивания их в лаборатории и, в некоторых случаях, масштабирования этой способности до масштабов коммерческого производства. Технологические прорывы в материалах и устройствах упрощают содержание биологических объектов в среде, которая максимизирует их производство определенного продукта или позволяет экспериментально наблюдать за ними и манипулировать ими. Как правило, эти системы предназначены для выращивания клеток определенного типа, микробных, растительных или животных, но системы для поддержания сообществ микробов или поддержки роста тканей и органов представляют собой следующую волну инженерных биологических систем.

Эта способность была разработана сначала для микробных клеток в 1970-х годах, а затем для клеток животных в 1980-х годах с помощью биореакторов клеточных культур in vitro, предназначенных преимущественно для производства терапевтических белков и немедицинских биомолекул, таких как полимеры и специальные химические вещества. Эти реакторы включали системы управления технологическим процессом, которые могли не только отслеживать условия окружающей среды, но и модулировать биореакторы, чтобы поддерживать условия в желаемом состоянии. Однако по большей части эти биореакторы были ограничены типами клеток, которые могли быть продуктивными при выращивании в жидких суспензиях, прикрепленных к поверхности частиц или иммобилизованных внутри мембран.

Если ткани и органы многоклеточных организмов, таких как животные и растения, подлежат изучению в культуре, необходимо воспроизвести условия, в которых они обычно растут — ткани имеют внутреннюю и внешнюю поверхности, они часто реагируют на сигналы внеклеточного матрикса, и зависят от непрерывной доставки питательных веществ и удаления отходов. Усилия по созданию эффективной среды в этом направлении ускорились с начала 1990-х годов в области, обычно называемой «тканевой инженерией». Тканевые инженеры разрабатывают материалы, каркасы или устройства, которые обеспечивают биохимические и биофизические сигналы для облегчения выживания, пролиферации, дифференцировки и организации клеток в функциональные трехмерные ткани. Область тканевой инженерии обещает предоставить более эффективные экспериментальные системы для изучения сложной физиологии и патофизиологии тканей человека in vitro. Эта возможность весьма желательна, потому что животные модели не могут охватить многие важные аспекты физиологии человека, особенно в областях тканеспецифической регуляции транскрипции, лекарственной токсичности печени, патогенных инфекций, иммунных реакций хозяина и рака. Таким образом, инженерные ткани, построенные из клеток человека, разрабатываются для ряда областей применения, включая метаболизм и токсичность лекарств в печени, морфогенез и онкогенез молочной железы, неогенез лимфоидной ткани и дифференцировку стволовых клеток, и обещают масштабирование в соответствии с требованиями сбора данных высокопроизводительный скрининг и системная биология.

Фундаментальные науки

Системная биология

Важнейшим условием для понимания фундаментальных наук и проектирования технологий является способность предсказывать поведение рассматриваемого объекта в еще не изученных условиях. В Новой биологии поиск и применение этой способности в максимально возможной степени должно быть высоким приоритетом для достижения целей, изложенных в другом месте этого отчета. В частности, максимальное влияние революций в области молекулярной и геномной биологии на науку о жизни конца 20-го века будет связано с попытками построить прогностические модели физиологического поведения с точки зрения свойств, лежащих в основе молекулярных компонентов. Урок физических и химических наук за последнее столетие состоит в том, что сочетание количественных многомерных измерений с вычислительным анализом, как правило, необходимо для прогностических моделей, а проблема наук о жизни состоит в том, что в обозримом будущем у них все еще будет неполное знание всех компонентов и взаимодействий, составляющих биологические системы.

Усовершенствованные технологии измерения и математические и вычислительные инструменты привели к появлению нового подхода к биологическим вопросам, называемого «системной биологией», который направлен на достижение прогностического моделирования. Системная биология стремится к глубокому количественному пониманию сложных биологических процессов посредством динамического взаимодействия компонентов, которые могут включать множество молекулярных, клеточных, организменных, популяционных, общественных и экосистемных функций. Он основан на фундаментальных крупномасштабных усилиях по каталогизации (например, геномике, протеомике, метаболомике и т. д.), которые определяют «список деталей», необходимый для построения моделей. Модели связывают свойства частей с динамическим функционированием систем, в которых они участвуют. Системный подход применялся к экосистемным процессам на раннем этапе (Hagen, 19).92), наследие, которое привело к разработке сложных имитационных моделей, способных оценивать взаимодействие между растительными сообществами, экосистемными процессами и атмосферной динамикой.

Совсем недавно системная биология расширилась до молекулярных компонентов, участвующих во внутренних клеточных процессах, включая экспрессию генов, метаболизм, формирование структуры и силы, а также трансдукцию регуляторных сигналов. Эти новые достижения в системной биологии на клеточном уровне теперь позволяют анализировать большие наборы данных на молекулярном уровне, которые затем могут быть связаны с фенотипическими функциями на клеточном и более высоких уровнях с помощью соответствующих видов вычислительных методов. В арсенале системной биологии необходим широкий спектр подходов к компьютерному моделированию для изучения клеточной сигнализации и ее физиологических последствий. К счастью, в математических и вычислительных науках, а также в физических науках доступен широкий спектр алгоритмических методов, относящихся к моделированию системной биологии. Эти инструменты включают, среди прочего, байесовские сети, булеву и нечеткую логику, обратное моделирование и усвоение данных. Очевидно, можно ожидать, что разработка и применение новых математических и вычислительных подходов будут мотивированы трудными проблемами, которые продолжают возникать в системной биологии из-за таких проблем, как неполная информация о компонентах и ​​свойствах системы, неоднородность и стохастичность, свертка биохимических и биофизических данных. процессы, а также множественные масштабы длины и времени, присущие попыткам установить прогностические модели на всех уровнях биологической организации, от молекулярного до организменного, популяционного, экосистемного и, наконец, в глобальном масштабе.

Вычислительная биология

Биология и математика давно переплетены. Динамическое взаимодействие хозяев и паразитов, молекулярные силы в белках, формирование биологического паттерна и передача сигнала по аксонам изучались с использованием инструментов математического анализа, таких как нелинейная динамика и уравнения в частных производных. Гидродинамика и дифференциальная геометрия были применены к физиологии сердца, теория групп к рентгеновской кристаллографии и теория топологических узлов к скручиванию ДНК. С самого начала было признано, что изучение генетических процессов требует вероятности и статистики. Во всех этих случаях требования к данным для математических моделей были относительно скромными, и результаты этих исследований относительно не влияли на повседневную работу большинства биологов-экспериментаторов.

Картина полностью изменилась с появлением секвенирования генома, функциональной геномики и системной биологии. Биология стала информационной областью, в которой большие общие базы данных являются незаменимым инструментом. Математические основы этой области расширились, охватив вероятностные и комбинаторные методы. Комбинаторные алгоритмы необходимы для решения головоломок сборки генома, выравнивания последовательностей и построения филогенеза на основе молекулярных данных. Вероятностные модели, такие как скрытые марковские модели и байесовские сети, теперь применяются для поиска генов и сравнительной геномики. Алгоритмы статистики и машинного обучения применяются для полногеномных исследований ассоциаций и для решения задач классификации, кластеризации и выбора признаков, возникающих при анализе крупномасштабных данных об экспрессии генов. Скорость инноваций в этих статистических дисциплинах высока, поскольку при анализе моделей, основанных на разнородных источниках данных, возникают новые проблемы возрастающей сложности. Тесное сотрудничество между биологами и математиками становится все более плодотворным для обеих областей, предоставляя новые подходы к биологическим вопросам, а также стимулируя инновации в математике.

Синтетическая биология

Еще одной фундаментальной наукой, отражающей растущую роль техники в биологии, является синтетическая биология. Способность не только понимать, но также модифицировать и создавать биологические системы будет иметь важное значение, если мы хотим применить силу биологии к разнообразным экологическим, энергетическим и медицинским проблемам. Синтетическая биология стремится использовать биологические модули в качестве компонентов для создания новых биологических систем. Путем стандартизации биологических частей и того, как классы частей могут быть функционально связаны друг с другом, эта область направлена ​​​​на то, чтобы сделать крупномасштабную генную инженерию проще и более предсказуемой, что потенциально может привести к созданию клеток, организмов или биологически вдохновленных систем с высоко оптимизированными промышленными или терапевтическими. Приложения.

Синтетическая биология также доказала свою эффективность как способ изучения фундаментальной логики биологических систем. Традиционно естественные биологические системы изучались путем наблюдения и вскрытия (обратная инженерия). Однако одних этих подходов часто недостаточно для раскрытия основных принципов проектирования системы. Может быть трудно определить, какие компоненты и параметры являются наиболее важными, особенно при работе с природными системами, которые возникли в результате идиосинкразических путей эволюции. Возможность создавать и модифицировать биологическую систему предоставляет инструменты для непосредственного исследования и опроса системы. Можно изменять отдельные параметры контролируемым и комбинаторным образом, чтобы понять, какие из них функционально наиболее важны и при каких обстоятельствах. Можно определить минимальные или альтернативные системы, которые могут выполнять определенную функцию, тем самым более четко обозначив основные принципы проектирования. Успех в прямом проектировании — это высшая проверка предсказуемости понимания; неудача может быть нашим самым конструктивным учителем. Эти подходы уже приносят плоды и в конечном итоге могут привести к следующему большому концептуальному прорыву: общему пониманию того, как природа создает надежные и точные системы из шумных и несовершенных частей (а также почему эти системы выходят из строя при определенных обстоятельствах).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все эти факторы — растущая интеграция в науках о жизни и между науками о жизни и другими дисциплинами, глубокий пул подробных знаний о биологических компонентах и ​​процессах, предыдущие инвестиции в создание общих ресурсов данных, потрясающие технологические инновации , а также сквозные науки, лежащие в основе многих приложений, безошибочно направили науки о жизни на курс к значительному ускорению открытий и инноваций. Тот факт, что намечается резкий подъем кривой концептуального прогресса, вызывает большое и оправданное волнение.

Но реализация этого потенциала потребует кардинального перехода в науках о жизни. Это потребует значительных инвестиций и, несомненно, приведет к некоторому нарушению укоренившихся образовательных, институциональных и даже интеллектуальных привычек. Необходимо задаться вопросом, готовы ли науки о жизни извлечь выгоду из этого потенциала. Возможно, было бы предпочтительнее продолжать фокусироваться на существующих подходах до тех пор, пока дальнейший прогресс не сделает успех более вероятным. Какова срочность или заявленная возможность двигаться вперед сейчас?

Один ответ взывает к духу соперничества Америки. Соединенные Штаты были лидером в развитии наук о жизни на протяжении всего 20-го века и извлекли бы большую выгоду, если бы остались на этом месте в 21-м веке. Особенно в экономически трудные времена стремление оставаться в авангарде критически важных областей исследований может мотивировать необходимые инвестиции и изменения.

Пришло время двигаться вперед.

Большая биология: сверхразмерная наука в период возникновения 21 века

• Список журналов
• Рукописи авторов ЧВК Европы
• PMC5503129

НТМ. Авторская рукопись; доступно в PMC 2017 10 июля.

Опубликовано в окончательной редакции как:

NTM. 2016 июнь; 24(2): 195–223.

DOI: 10.1007/S00048-016-0141-8

PMCID: PMC5503129

EMSID: EMS73148

PMID: 27215209

Информация о сообщении и лицензии. ? Die vermehrte Zusammenarbeit in der Biologischen Forschung wurde in der Folge des Human Genome Project zwar zum Gegenstand hitziger Diskussionen, aber Debatten und Reflexionen blieben meist im Polemischen verhaftet und zeigten eine begrenzte Wertschätzung fürept Kraepts Diefftklär Science. Zur gleichen Zeit haben Wissenschafts- und Technikforscher/innen in ihren Beschreibungen des Wandels der Forschungslandschaft die Verwendung des Begriffs Big Science gemieden. Dieser interdisziplinäre Artikel kombiniert eine begriffliche Analyze des Konzepts von Big Science mit unterschiedlichen Daten und Ideen aus einer Multimethodenuntersuchung mehrerer großer Forschungsprojekte in der Biologie. Ziel ist es, ein empirisch fundiertes, nuanciertes und analytisch nützliches Verständnis von Большая биология zu entwickeln und die normativen Debatten mit ihren einfachen Dichotomien und rhetorischen Positionen Hinter sich zu lassen. Zwar kann das Konzept von Big Science als eine Mode in der Wissenschaftspolitik gesehen werden – inzwischen vielleicht sogar als ein altmodisches Konzept –, doch lautet meine Innovation Argumentation, dass dessen analytische Verwendung unsere Aufmerksamkeit auf die Ausweitung der Zusammenarbeit in den Biowissenscha. Die Analyze von Большая биология zeigt Unterschiede zu Big Physics und anderen Formen von Big Science, namentlich in den Mustern der Forschungsorganisation, der verwendeten Technologien und der Gesellschaftlichen Zusammenhänge, in denen sie tätig ist. So können Reflexionen über Big Science, Big Biology und ihre Beziehungen zur Wissensproduktion die jüngsten Behauptungen über grundlegende Veränderungen in der Life Science-Forschung in einen historischen Kontext stellen.

Шлюссельвёртер: Großforschung, Zusammenarbeit, Innovation, Lebenswissenschaften, Systembiologie

Ключевые слова: Крупномасштабные исследования, сотрудничество, инновации, науки о жизни, системная биология

Обсуждение проекта генома человека, 2001 г. нет, большая биология останется» (2001: 545). Это заявление имело целью подвести окончательный итог бурным дебатам по большой биологии, которые начались во время появления проекта «Геном человека». В ходе этих дискуссий проект представлялся как первый крупный научный проект в области биологии (Кевлес и Худ 19).92) и как Манхэттенский проект биологии (Lenoir and Hays 2000), тем самым определяя преобразования в науках о жизни с точки зрения роста и сравнивая их с появлением большой физики. Сторонники большой биологии представили проект «Геном человека» как новый и более эффективный способ проведения исследований, в то время как противники утверждали, что он подрывает сам характер биологических исследований, бюрократизирует и политизирует их, одновременно ослабляя творческий потенциал (Check and Castellani 2004; Davis 1990). Секвенирование генома изображалось как «массовое, целеустремленное и ошеломляюще скучное» (Roberts 2001). Молекулярный биолог Сидней Бреннер даже пошутил, что секвенирование настолько скучно, что им должны заниматься заключенные: «чем гнуснее преступление, тем большую хромосому им придется расшифровать» (Roberts 2001: 1183). Более того, термин «большая биология» в основном использовался как риторическое оружие в дебатах между учеными и политиками в пользу проекта «Геном человека» и противниками крупномасштабных проектов в области биологии. В то время как концепция большой науки имеет долгую историю и со временем приобрела богатые и многогранные значения, дебаты о большой биологии были сосредоточены на чрезмерно простых формулировках и некритических концептуализациях. Более того, большая наука представлялась либо хорошей, либо плохой, что преждевременно замалчивало развитие более тонкого понимания положительных и отрицательных сторон происходящих преобразований в биологических науках.

Расхождение между дебатами о большой биологии и значениями концепции большой науки можно частично объяснить тем фактом, что эти дебаты в основном ведутся учеными-биологами, а не учеными, изучающими науку и технологии. Последние не решаются использовать концепцию большой науки и предпочитают другие перспективы для изучения проекта «Геном человека» и связанных с ним трансформаций в биологических исследованиях, сосредоточив внимание на управлении, стандартизации, информатизации, формировании идентичности, этике и политике (Балмер 19).96; Калверт 2013; Кук-Диган, 1994; Хилгартнер 1995; Гарсия-Санчо 2012; Гласнер 1996; Гласнер 2002; Слоан и др. 2000). ¹ Таким образом, наиболее важная критика концепции касается ее широты, при этом некоторые утверждают, что она слишком широка, расплывчата и двусмысленна, чтобы быть аналитически полезной для анализа современных преобразований научных исследований и практики (Rechsteiner 1990; Shrum et al. 2007). ).

Напротив, я новаторски утверждаю, что широта концепции большой науки может также быть ее силой, при условии, что ее различные значения признаются и различаются. Неиспользование эмпирического понимания концепции в анализе современной крупномасштабной биологии означает отказ от важных исторических наблюдений за ростом науки и расширением сотрудничества, которые могут дать важные сведения о специфике современных разработок. Эта концепция связывает рост биологии с аналогичными разработками в других областях науки, в первую очередь с исследованиями в области физики, и помещает их в исторический и культурный контекст. Более того, концепция большой науки дополняет более поздние (исторические) концептуализации преобразований в науке, такие как наука второго типа, нормальная и постнормальная наука и теория тройной спирали (Gibbons et al. 19).94; Эцковиц и Лейдесдорф, 2000 г.; Фунтович и Равец, 1993, 1994; Новотны и др. 2001) — поскольку в нем явно рассматриваются вопросы масштаба и расширения научного сотрудничества в сочетании с вниманием к изменяющемуся контексту, в котором происходит наука.

Таким образом, эта междисциплинарная статья сначала представляет многогранный характер концепции большой науки, а затем исследует, как большая наука позволяет понять преобразования в биологии. Объединяя исторические и социологические исследования, я обрисовываю рост биологии через эмпирическое понимание концепции, задаюсь вопросом, чем большая биология отличается от большой физики, явно обращая внимание на взаимодействие между эпистемическим и организационным. Сосредоточившись, во-первых, на технологии как движущей силе роста, а во-вторых, на социальном контексте, который делает возможным этот научный рост, я утверждаю, что, в отличие от централизованной формы большой физики, большая биология приобрела сетевую форму во взаимодействии с центральной ролью, которую играют информационные технологии. играть в биологических исследованиях. Кроме того, представления о роли науки и техники в обществе существенно изменились с тех пор, как физика стала большой, что привело к возникновению определенных препятствий, с которыми сталкиваются ученые-биологи в своих усилиях по расширению биологии. Например, и хотя текущая научная политика отдает предпочтение исследованиям, сочетающим в себе фокус и массовость с явными социальными последствиями, ученым-биологам трудно получить финансирование для крупномасштабной биологии, предъявляя претензии на улучшение здоровья человека и окружающей среды. Это особенно примечательно по сравнению с физикой элементарных частиц или космическими исследованиями, которые с менее прямыми социальными эффектами постоянно могут получать значительные суммы финансирования. Или, как выразился один из ученых-биологов: «Даже когда эти космические челноки взрываются, они все равно получают огромные суммы денег, а мы не в состоянии получить такое финансирование для наших исследований». ² В заключительной части этой главы будет показано, что эти и подобные им препятствия, связанные с интернационализацией и инновациями, можно лучше понять, если взглянуть на биологию через призму большой науки, показывая, как взаимодействие между научными и контекстуальными разработками формирует процесс создания науки. большой (Capshew and Rader 1992), или то, что я назвал «суперразмером науки».

Моя аргументация основана на сочетании философских, исторических и социологических методов исследования. Он сочетает в себе концептуальный анализ концепции большой науки с исследованиями истории сотрудничества в биологии и его современных форм. Для анализа последнего я использовал различные данные и идеи из мультиметодного исследования нескольких крупномасштабных исследовательских проектов в области биологии, охватывающих экологию, молекулярную биологию и биомедицину. Особое внимание я уделил возникновению, структуре и функционированию различных крупномасштабных академических проектов в США и Европе (Parker et al., 2010; Vermeulen, 2009).; Вермюлен и др. 2010 г.; Вермёлен 2012; Вермюлен и др. 2013). ³ Исследования включали анализ документов, интервью с учеными и политиками, а также наблюдения за участниками.

Открытие черного ящика большой науки является отправной точкой для изучения того, как эта концепция может помочь в понимании современных крупномасштабных биологических исследований. Этот термин был придуман в 1961 году физиком Элвином Вайнбергом в контексте расширения физических исследований в Соединенных Штатах (Weinberg 19).61) и далее развит историком науки Дереком де Солла Прайсом в его книге Little Science, Big Science (1963): «Масштабный характер современной науки, новой, яркой и всемогущей, настолько очевиден, что счастливая для ее описания был придуман термин «Большая наука» (там же: 2). В своей книге Reflections on Big Science (1967) Вайнберг утверждает, что наука стала большой по двум причинам:

исследования — требуют чрезвычайно сложного оборудования и штатов больших групп профессионалов; с другой стороны, научное предприятие, как Маленькая наука, так и Большая наука, стремительно росло и стало намного сложнее (там же: 39). ).

Крупные научные книги являются частью длинного списка книг, все из которых посвящены росту как отличительному феномену современного общества, например Большой бизнес (Фэй, 1912; Хендрик, 1919; Друкер, 1947), Большое правительство, (Пьюзи, 1945). ), Большая демократия (Эпплби, 1945), Большая школа (Баркер, 1964), Большие города (Роджерс, 1971), Большие фонды (Нильсен, 1972) и Большая машина (Юнгк, 1986). Как и другие авторы этих больших книг, Вайнберг и Де Солла Прайс пишут о возрастающих измерениях, полных удивления и восхищения, и в то же время оценивают их критически. Рост описывается как часть прогресса и неизбежный показатель современного индустриального общества, но он также рассматривается как источник проблем. Например, Питер Друкер (1947) говорит о «Проклятии большого размера» (там же: 211), а экономист Шумахер написал книгу под названием «Маленькое прекрасно » (1973). Таким образом, книги о величии дышат амбивалентностью современных условий: «Быть ​​современным означает оказаться в среде, которая обещает нам приключения, силу, радость, рост, преобразование нас самих и мира — и в то же время угрожает уничтожить все, что у нас есть, все, что мы знаем, все, чем мы являемся» (Берман 1983: 15). Соответственно, с момента своего появления концепция большой науки имеет двойственное понимание роста, характерное для современных условий и все еще очень заметное в двух противоположных взглядах на большую науку в дебатах о большой биологии.

Подобные амбивалентные взгляды нашли отражение и в первых работах по большой науке Вайнберга и Де Солла Прайса. Внимание Вайнберга к развитию науки является результатом его участия в крупных американских проектах в области ядерной энергетики в качестве директора Окриджской национальной лаборатории (ORNL) (Schaffer, 1998; Weinberg, 1994). ⁴ Соответственно, Reflections on Big Science (Weinberg 1967) в первую очередь утверждает, что лаборатории, ориентированные на большие задачи, необходимы обществу. Тем не менее, он также пытается решить наиболее тревожные вопросы: распределение ресурсов между конкурентными областями, между наукой и другими государственными предприятиями, а также является ли «Большая наука притуплением науки как инструмента для открытия новых знаний» (Вайнберг 19).67: vi). И хотя Прайс, по-видимому, в первую очередь впечатлен ростом науки и трансформацией от малого к большому, он также отмечает, что экстраполяция этих темпов роста в науке вскоре покажет мир, населенный только учеными, что действительно вызывает беспокойство (Price 1963). ).

Кроме того, Де Солла Прайс вводит большую науку как эмпирическую концепцию для изучения трансформации в науке. По происхождению физик, он заинтересовался историей науки, когда получил полный набор из Философские труды Лондонского королевского общества с 1662 по 1930-е годы во время преподавания в Сингапуре (Прайс, 1983 г.). Куча журналов пробудила в нем интерес к тому, что он позже назовет большой наукой.

Я взял прекрасные тома в телячьих переплетах под надежное хранение и разложил их стопками по десять лет на прикроватных книжных полках. В течение года я потом читал их от корки до корки, тем самым получая свое начальное образование историка науки. В качестве побочного результата, заметив, что стопки составляют тонкую экспоненциальную кривую у стены, я пересчитал все другие наборы журналов, которые смог найти, и обнаружил, что экспоненциальный рост с удивительно высокой скоростью, по-видимому, универсален и удивительно долговечен ( там же: 18).

Это открытие экспоненциального роста стимулировало его работу по количественному измерению научного развития, которая превратила его в признанного информатика и отца-основателя наукометрии (Crawford 1984; Garfield 1984; Mackay 1984). Де Солла Прайс представил большую науку прежде всего как эмпирическое понятие, раздвинув границы истории науки от изучения прошлого к изучению настоящего, а также придав ей количественный поворот.

Однако, наряду с количественным эмпирическим явлением, понятие большой науки стало также использоваться для качественного изучения научной трансформации. На фоне развития истории и социальных исследований науки и технологий большая наука использовалась для изучения исторической и современной практики исследовательского сотрудничества: источников, питавших крупномасштабные исследования, мы теперь можем видеть больше причин и следствий роста науки» (Хевли 1992: 357). Подробные тематические исследования различных форм большой науки в таких различных областях, как астрономия, экология, физика и космические исследования, обогатили эмпирическое понимание явлений (Bocking, 1997; Crease, 1999; Galison and Hevly, 1992; Galison, 1997; Hoddeson and Baym, 1993; Kwa, 1987). ; Lambright 1998; Schloegel and Rader 2005; Westwick 2003). Общие черты обнаруживаются в больших, дорогих инструментах, индустриализации, централизации, междисциплинарном сотрудничестве, институционализации, отношениях между наукой и государством, сотрудничестве с промышленностью и интернационализации. Более того, появление крупных исследовательских комплексов воспринимается как более широкая тенденция, и хотя разные типы большой науки имеют свои особенности, поскольку различия в дисциплине и времени определяют разнообразие, они также обнаруживают семейное сходство (Витгенштейн 19). 53).

Таким образом, большая наука — это историческое понятие, сформированное в 1960-х годах для отражения увеличивающихся масштабов и масштабов исследований и научной практики, и этот термин приобрел множество значений и функций. Следовательно, теперь он имеет как эмпирический, так и оценочный аспекты, каждый из которых обоюдоострый. Эмпирические исследования можно разделить на количественные и качественные подходы, при этом различимы как положительные, так и отрицательные оценки феномена большой науки. Таким образом, размышляя о том, что повлечет за собой большая биология, важно помнить об этих различных значениях большой науки. Дебаты о проекте «Геном человека», которые поставили под сомнение желательность возникновения большой биологии, явно опираются на оценочную сторону концепции большой науки, но не раскрывают того, что на самом деле влечет за собой большая биология на практике. Как выглядит большая биология и как увеличение масштабов биологических исследований меняет характер этих исследований? Такие размышления о процессе превращения биологии в большую науку потребуют использования эмпирической стороны концепции, как будет показано в следующем разделе.

Чтобы получить полное эмпирическое представление о большой биологии, необходимо понять ее происхождение, развитие и сравнить ее с крупномасштабными научными исследованиями в других областях. ⁵ Большая физика будет служить точкой отсчета для устоявшейся большой науки, поскольку это примерная ситуация, которая сформировала концепцию большой науки. Кроме того, существует прямая связь между большой физикой и современной коллаборацией в биологии. Например, Министерство энергетики США, известное организацией крупных физических исследований, также сыграло важную роль в организации проекта «Геном человека». ⁶ Однако чем отличается большая биология от известных коллабораций в физике? В этом разделе показано, как большая биология сочетает в себе определенную историю с различными организационными разработками, связанными с технологиями, и в то же время возникла в определенном социальном контексте. После описания истории большой биологии и подробного описания конкретных организационных движений в сторону агрегации, централизации и создания сетей, я сосредоточусь на различных социальных внедрениях большой физики и большой биологии. В то время как физика развивалась в начале двадцатого века, крупномасштабная биология стала заметной только к концу двадцатого века. Поскольку эти два периода весьма различны с точки зрения международных отношений и социального устройства, а также места науки в обществе, я исследую, как эти различия повлияли на конкретные формы большой науки.

Однако, прежде чем приступить к изучению истории и современного состояния биологии, важно подчеркнуть, что не все академические исследования в области биологии становятся крупными, и эту статью ни в коем случае нельзя рассматривать как рекламу масштабности. Вместо этого я признаю, что разные формы исследования жизни требуют разного организационного масштаба (Vermeulen et al., 2010), и поэтому в этой статье явно обсуждаются конкретные отрасли биологии, в которых строятся более масштабные сотрудничества, в первую очередь экология, молекулярная биология и биомедицинские исследования. наука.

История большой биологии

Размышления о большой науке (Weinberg 1967) уже предсказал, что биология станет следующей большой наукой:

Мы вступаем или должны вступить в эпоху биомедицинских наук и соперничать по величине и богатству с нынешним веком физических наук и физических технологий. Войдем ли мы в этот век на самом деле, будет зависеть от отношения к Большой Биологии ученых-биомедиков и правительственных учреждений, поддерживающих биологию (там же: 101).

Мысли Вайнберга о большой биологии были вдохновлены Норманом Андерсоном, «биологом-инженером», который в 1967 году предложил программу «Молекулярная анатомия», целью которой было каталогизировать и охарактеризовать все белки человека (Weinberg 1999: 738). Тем не менее, Human Proteome Organization не была запущена до 2001 года, поощряя международные инициативы по исследованию белков человека, область, в настоящее время известную как протеомика, и, таким образом, ей предшествовал проект Human Genome Project.

Однако, в соответствии с доминированием физических исследований на протяжении большей части двадцатого века, исторический и социологический анализ большой науки был в основном сосредоточен на физике и появлении ее крупномасштабного инструментария. Происхождение большой физики восходит к межвоенному периоду, когда университеты Калифорнии начали сотрудничать, чтобы найти решение проблем производства и распределения энергии (Галисон 19). 92; Зайдель, 1992). Крупномасштабные физические исследования распространились по всему миру после важного вклада крупномасштабных физических исследований во Вторую мировую войну. Современные исследования сосредоточены главным образом на физике элементарных частиц, например, в Европейской организации ядерных исследований (Knorr 1999; Galison 1997). А как же большая биология?

В то время как физика широко известна как большая наука, биология только недавно стала изображаться как таковая, а проект «Геном человека» стал своего рода водоразделом. Слишком часто игнорируется тот факт, что крупномасштабные физические исследования привели к возникновению радиобиологии задолго до современной эры и что биологи сотрудничали в крупномасштабных исследовательских предприятиях задолго до крупномасштабных исследований в области геномики и постгеномики (Creager and Santesmases 2006; Lenoir). и Hays 2000; Schloegel and Rader 2005; Westwick 2003). В частности, история экологии описывает некоторые более ранние крупномасштабные попытки сбора, каталогизации и анализа исследовательского материала, носившие рассредоточенный характер (Аронова и др. , 2010; Бокинг 19).97; Ква 1987). Кроме того, увеличение масштабов биологических наук произошло уже во взаимодействии с появлением молекулярной биологии в конце 1950-х и 1960-х годах (De Chadarevian 2002; Magner 1994; Strasser 2003a, b; Rose 2001). В Европе за созданием ЦЕРН в 1953 г. и созданием Европейской организации космических исследований (ESRO) в 1962 г. последовало создание Европейской организации молекулярной биологии (EMBO) и Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в 1964 и 1919 гг.74 соответственно. В то время такие организации, как Совет Европы, ЕВРАТОМ, НАТО, ОЭСР, ЮНЕСКО и ВОЗ, призывали к международному сотрудничеству в области наук о жизни и созданию международных лабораторий: «Мы склонны забывать, что в 1960-х годах EMBO пришлось столкнуться с множество конкурирующих проектов по развитию международного сотрудничества в области наук о жизни на европейском, атлантическом и глобальном уровнях». (Штрассер 2003а: 542).

Эта международная институционализация отражала централизацию исследований в физике элементарных частиц, но за ней последовали международные проекты картирования и секвенирования, которые расширили исследовательские усилия за счет сотрудничества, но без централизации в одном месте (Garcia-Sancho 2012; Gaudilliere and Rheinberger 2004; Kohler 1994; Салстон и Ферри, 2002). Сотрудничество, основанное на модельных системах, таких как Drosophila и C. Elegans, имело сетевой характер и было особенно важным в качестве предшественников проекта «Геном человека». Ученые установили связи вокруг мух и червей для обмена исследовательскими материалами и информацией, а также для разделения труда между лабораториями. Это, в свою очередь, подготовило почву для совместной работы над геномом человека и международного проекта «Геном человека».

Хотя точки зрения на проект «Геном человека» различаются, все согласны с тем, что проект стал образцом новых научных, технологических и организационных преобразований (Cantor 1990; Кевлес и Худ, 1992 г.; Кевлес 1997; Гласнер 2002; Хиллгартнер, 1995). Масштабы и сложность проекта впечатляют. Государственный консорциум состоял из 16 исследовательских групп, разбросанных по 48 лабораториям по всему миру, с дополнительными усилиями в частной сфере; публикация полной последовательности генома человека названа 520 научными авторами (Glasner 2002). Проект «Геном человека» считается основой крупных текущих исследований в постгеномную эпоху, включая новые интегративные подходы в биологических науках (Fujimura 2005; Webster 2005). Таким образом, это воспринимается как важный поворотный момент, положивший начало новым стилям биологических исследований.

Новые социо-технические механизмы в биологии

С появлением большого количества крупномасштабных научных исследований в области биологии, похоже, стало законным говорить о большой биологии. Тем не менее я утверждаю, что между большой физикой и большой биологией можно отметить важные различия. Самое главное, что причины для сотрудничества в биологии изначально были найдены в рассредоточенном характере исследовательского материала, а не в увеличивающихся размерах инструментов. Большие и дорогие инструменты часто рассматриваются как необходимые для возникновения большой науки, поскольку в большой физике ускорители частиц вызывают организационное тяготение (Кэпшью и Рейдер 19). 92). Крупные приборы являются наиболее важным стимулом для централизации, поскольку они не могут создаваться и обслуживаться какой-либо одной лабораторией, университетом или страной. Однако инструменты в биологии относительно малы, и часто утверждают, что биология не является большой наукой, поскольку технологии не приближаются к размерам инструментов, таких как ускорители частиц в физике высоких энергий. Поэтому возникает вопрос: какие социально-технические механизмы характеризуют большие биологические исследования? Изучая взаимодействие между технологическими разработками и организационными изменениями в биологических исследованиях, я различаю три различных направления: агрегацию, централизацию и сетевое взаимодействие. Эти процессы соответственно связаны с внедрением более крупных исследовательских инструментов, созданием технологических центров и растущим значением информационных и коммуникационных технологий, что делает ученых-биологов и их исследовательские проекты частью международной сети данных и баз данных.

Во-первых, биологи используют более крупные исследовательские инструменты, что приводит к более высоким уровням агрегации в организации биологических исследований, что напоминает централизацию вокруг крупных физических инструментов, хотя и в меньшем масштабе. Например, появление спектроскопа ядерного магнитного резонанса ⁷ в биологии является примером появления агрегации в биологических исследованиях. Хотя ЯМР-спектроскопия берет свое начало в физических и химических науках, она стала использоваться в биологии для изучения молекулярных структур с 19 века.30-х годов и далее (Zallen 1992). Интеграция ЯМР-спектроскопа в биологические исследования была частью более широких усилий Фонда Рокфеллера по стимулированию междисциплинарных исследований и стимулировала дальнейшее развитие прибора. В то же время существенно увеличились затраты и масштабы исследовательских мероприятий, создание национального и международного сотрудничества.

Доктор Риен де Би, проработавший значительную часть своей карьеры руководителем исследований в Центре биомолекулярных исследований Бийвоет в Утрехтском университете в Нидерландах, лично был свидетелем этих растущих масштабов исследовательских мероприятий, связанных с прибором. ⁹ Де Би вспомнил, как первый ЯМР-спектрометр, предназначенный для биологических исследований, поступил в Утрехтский университет в 1963 году. Хотя первоначально он использовался только на местном уровне, в 1980-х годах произошел первый шаг к более крупным масштабам, когда произошел переход от местного специального финансирования исследовательских инструментов к имели место структурные инвестиции в национальном контексте:

Именно в этот период в Нидерландах возникла идея, что если вы хотите использовать дорогие технологии, то есть электронную микроскопию, ЯМР-спектроскопию, рентгеновскую дефракцию, ультрацентрифуги и тому подобное — вы должны начать серьезно думать о том, как двигаться дальше. ¹⁰

На основе существующей практики в физике это привело к политике концентрации и созданию так называемых парауниверситетских научно-исследовательских институтов по химии и молекулярной биологии. Следовательно, в 1988 г. были профинансированы три национальных центра сотрудничества, в том числе центр Bijvoet в Утрехте. Следующее увеличение масштабов было в основном вызвано политикой, поскольку интернационализация стала приоритетом в исследовательской политике с конца 1980-х годов. Поскольку в первых рамочных программах Европейского союза исследовательская инфраструктура по биологической стороне химии не финансировалась, Утрехт решил участвовать вместе с центрами во Флоренции и Франкфурте в третьей рамочной программе, чтобы заполнить этот пробел, что привело к созданию европейского сотрудничества в области ЯМР. спектроскопии, которые существуют и по сей день. Де Би охарактеризовал этот последний шаг как «европеизацию» исследовательских механизмов.

Наряду с (меж)национальным объединением усилий вокруг одной технологии, второе организационное движение в биологии состоит из локальной централизации людей и идей вокруг нескольких различных технологий, что подтверждается созданием местных центральных технологических объектов. Исследователи и лаборатории традиционно покупали свои собственные исследовательские технологии, но эта стратегия теперь ограничивает виды исследований, которые необходимо проводить (Perkel 2006). ¹¹ При открытии лаборатории становится все труднее купить все необходимые технологии. Кроме того, поддержание технологии в актуальном состоянии и в рабочем состоянии требует значительных ресурсов. Это привело к такой практике, как совместное использование или аренда лабораторного оборудования, использование так называемых наборов или тестов «черного ящика», которые выполняют уже стандартизированные исследовательские процессы, и аутсорсинг в (коммерческие) сервисные центры (Kleinman 2003; Wolthuis 2006). . Что еще более важно в этом контексте, были созданы внутренние технологические центры, места в университетах или исследовательских институтах, куда ученые направляются для использования конкретных технологий.

Технологический центр биологического факультета Йоркского университета в Соединенном Королевстве является ранним примером этой тенденции к централизации вокруг технологического репертуара в биологии. ¹² Профессор Дайанна Боулз, руководившая разработкой Технологического Центра, сказала, что они хотели, чтобы он функционировал как центр внутри отдела, предоставляющий ученым передовые технологии:

Вас могут интересовать пауки, растения или что-то еще, и все они основаны на одной и той же технологической платформе. Но отдельные исследовательские группы не должны использовать эти технологии 100% своего времени, они просто включаются и исчезают, когда их исследования диктуют необходимость. Так что лучший способ сделать это — собрать все эти технологии в одном месте. ¹³

Такие объекты дают исследователям доступ к недоступным другим технологиям, формируя характер их исследований и сохраняя их конкурентоспособность по сравнению с промышленными исследованиями. Центральной идеей этого центра является не только разделение затрат, но и развитие профессиональных операционных навыков. По мере усложнения приборов знания и навыки, необходимые для их использования, увеличиваются, а оперативный опыт становится все более важным. В настоящее время часто приходится работать полный рабочий день, чтобы идти в ногу с последними технологическими разработками, поэтому требуются специалисты. Поэтому Технологический центр в Йорке концентрирует не только технологии, но и опыт и обучение. Более того, центр стимулирует новое сотрудничество, поскольку ученые с разными исследовательскими целями, навыками и опытом собираются вместе из-за необходимости использовать одни и те же методы, обмениваясь в процессе своим опытом и знаниями. ¹⁴

Третье направление не объединяет и не концентрирует исследования в области биологии, а связывает исследователей в сети. На основе обмена исследовательским материалом и взаимодействия с интеграцией информационных технологий и информатизацией биологических исследований (Beaulieu 2004; Keller 1995; Kay 2000) возникла сетевая форма исследовательского сотрудничества. Основываясь на представлениях о биологии как об информации, появились методы секвенирования, которые развивались в сетях, объединяющих мух, червей и людей (Kohler 19).94; Гарсия-Санчо 2012; Годильер и Райнбергер, 2004 г.; Салстон и Ферри, 2002). Эти проекты по секвенированию дали огромное количество данных, что сделало хранение и интеграцию данных ключевой особенностью современной биологии (Groenewegen and Wouters, 2004; Leonelli, 2014). Разнообразные данные объединяются путем создания (онлайн) баз данных, которые рассредоточены по всему миру, но к которым можно получить доступ из разных мест. ¹⁵ Таким образом, совместная работа в области исследований осуществляется не в одном месте, а в местах, где проводятся исследования, но при этом связанных информационными инфраструктурами. Таким образом, интеграция информационных технологий в биологию облегчила создание связей между относительно небольшими и рассредоточенными центрами производства знаний, придав сотрудничеству в биологии сетевой характер (см. также Glasner 19).96).

Таким образом, три организационных движения, связанных с технологиями в биологии, лишь частично напоминают организационные конфигурации в большой физике. С одной стороны, (меж)национальная агрегация вокруг более крупных приборов и локальная централизация вокруг сложных и дорогих приборов напоминают централизацию в физике, хотя и в меньшем масштабе. С другой стороны, сетевой характер выделяет большую биологию. Хотя в крупномасштабных физических исследованиях анализ данных в настоящее время также происходит в международных рассредоточенных сетях, эти сетевые структуры по-прежнему строятся вокруг централизованных экспериментов по генерации данных, что отличает их от сетевых структур в биологии, в которых как производство данных, так и их анализ рассредоточен. ¹⁶ Более того, это движение не является уникальной особенностью биологии, учитывая, что оно отражает социально-технические преобразования информационных технологий в науке и обществе в целом (Abbate 1999; Van Dijk 1991; Castells 1996; Groenewegen and Wouters 2004; Hine 2006). , и поэтому технологические преобразования в биологии также следует рассматривать в этих социальных контекстах.

Социальный контекст большой биологии

Из различных организационных движений в биологии становится очевидным, что не только технологические разработки повлияли на рост исследований. Финансирующие организации сыграли роль в формировании связей между различными дисциплинами и обеспечили разработку новых способов организации исследований на местном и международном уровнях. Политические движения в направлении национальной концентрации исследований, с одной стороны, и создание Европейских рамочных программ и Европейского исследовательского пространства, с другой стороны, способствовали увеличению масштабов исследований в области наук о жизни. Кроме того, конкуренция и сотрудничество с промышленностью повлияли на организацию академических исследований. Таким образом, отдельные лица играют важную роль, например, в перестройке местной организации исследований в соответствии с международными тенденциями, соединяя местный, национальный и международный уровни. Однако не только внутренняя динамика науки формирует организацию исследований, но и внешние факторы влияют на большие научные комплексы, и большая биология может быть понята только в свете той социальной среды, в которой она возникла.

В то время как большая физика возникла в начале двадцатого века и была концептуализирована в 1960-х годах, крупномасштабные исследовательские организации в биологии стали заметными только в конце двадцатого века. Эти два периода весьма различны с точки зрения международных отношений и устройства обществ, а также в отношении места науки в обществе, влияя на конкретные формы большой науки. После обсуждения социального контекста, в котором возникла большая физика, я покажу, как во второй половине двадцатого века можно наблюдать сдвиг в сторону исследований жизни, которые стали большими в совершенно другом социальном контексте. Обсуждаемые различия будут включать в себя контекст возникновения и сосредоточивать внимание на отношениях с государственной промышленностью и обществом, как видно из .

Table 1

An overview of differences between big physics and big biology

Centralised big physics	Networked big biology
Centralised organisation	Decentralised organisation
Concentration of research around большие и дорогие инструменты	Сетевое сотрудничество, основанное на информационных инфраструктурах
Возникло в начале 20-го века в контексте физики	Возникла в конце 20 века в контексте молекулярной биологии
Часть современного общества, характеризующаяся верой в прогресс, рост, рационализацию, индустриализацию и бюрократизацию	Часть современного общества, характеризующаяся как постиндустриальное общество знаний /экономика, неолиберальный капитализм, глобализация.
Наука как источник энергии	Наука для экономического роста
Индустриализация науки	Внедрение науки в общество
Социальный договор между наукой и обществом: защищенное пространство для (фундаментальной) науки при постоянной государственной поддержке	Новый социальный договор между наукой и обществом: акцент на применении, инновациях и социальных последствиях науки

Открыть в отдельном окне

Начиная с контекста, в котором возникла большая физика, мы должны рассмотреть период между мировыми войнами в Соединенных Штатах, а также последующую Вторую мировую войну и ее последствия. Точнее, Галисон (1992) указывает, что корни большой физики уходят в Великую депрессию в Соединенных Штатах, которая вызвала встречную реакцию, которая восхищалась «величием», вдохновляющим огромные конструкции моста Золотые Ворота, плотины Гувера и Эмпайр-стейт-билдинг: «Без культурного увлечения американцев в целом целью создания все более крупных научных объектов могла бы оставаться второстепенная задача по сравнению с другими интересами» (Галисон, 1992: 3). Более того, рост стал центральным феноменом современного общества и сопровождался твердой верой в прогресс, упорядочением и (ре)структурированием общества (Берман 19).83; Кумар 1995; Латур 1993). Процессы рационализации и индустриализации породили тейлоризм и фордизм — эффективность и масштабирование — и сопровождались бюрократизацией. Именно эти черты модернизации видны в большой физике, возникшей в этот период и развившейся в известные крупные военно-академические физические исследовательские комплексы во время Второй мировой войны (Galison, 1992; Seidel, 1992; Hoddeson, Baym, 1993).

Хотя Манхэттенский проект часто называют точкой отсчета появления крупномасштабной физики, важно отметить, что не только его появление можно проследить в более раннее время, но также и то, что термин «большая наука» был придуман после войны. Поэтому большую физику следует понимать не только в контексте Второй мировой войны, но и в контексте американского общества XIX в.60-е годы. В этот послевоенный период продолжался проект модернизации, в то время как происходили важные преобразования в отношениях между наукой и обществом. Во время войны государственные инвестиции в науку резко возросли, но также усилилась политическая власть над направлением научных исследований. Таким образом, окончание войны было воспринято как возможность пересмотреть отношения между правительством и наукой (Galison, 1992; Guston, 2000; Jasanoff, 2005; Rip, 1998). Общественный договор для науки, основанный на знаменитом докладе Ванневара Буша (1945 [1980]) можно рассматривать как способ (восстановить) разрыв между правительством и наукой после войны, гарантирующий преемственность государственных инвестиций в науку, а также создающий защищенное пространство для науки. Наука была предложена как инвестиция, которая в конечном итоге окупится, используя успешное научное применение войны как символ социальной полезности фундаментальной науки. Работы по большой физике отражают этот взгляд на науку; фундаментальная наука и прикладная наука идут рука об руку и не исключают друг друга.

Интересно, что существует четкая связь между большой физикой и большой биологией. По мере того, как инвестиции в физику вызывали споры — сначала из-за разрушительной силы атомной бомбы, а затем из-за дебатов о ядерной энергии — крупномасштабные исследования в физике должны были переориентироваться, что также привело к включению исследований в области биологии. Национальные физические лаборатории в Соединенных Штатах начали включать исследования жизни в свою стратегию, поскольку это приносило менее противоречивые социальные выгоды, а также привлекало повышенное внимание к загрязнению окружающей среды. Следовательно, крупномасштабные исследовательские организации в области физики дали новый импульс исследованиям в области биологии, которые продолжаются и по сей день (Бокинг 19). 97; Creager и Santesmases 2006; Делаю 2004; Шлёгель и Рейдер, 2005). Кроме того, в контексте изучения воздействия радиации на генетическую структуру человека именно Министерство энергетики США (DoE) первым предусмотрело крупномасштабное сотрудничество в области молекулярной биологии. Министерство энергетики использовало свой опыт организации крупномасштабных физических исследований для формирования проекта «Геном человека» совместно с Национальными институтами здравоохранения, что проложило путь к другим крупномасштабным исследовательским проектам в контексте геномики и смежных исследований.

Между тем, положение науки в обществе также существенно изменилось, формируя создание масштабной биологии. Национальные правительства в основном перешли от централизованного управления к децентрализации власти с неолиберальным подходом в глобализированном мировом порядке (Pellizzoni et al. 2012). Переход от современного индустриального к постиндустриальному обществу породил общество знаний, в котором наука и технология заменили индустриализацию (Bell 19). 73; Друкер 1969; Де Уайльд, 2001). Начиная с 1980-х годов наука и техника выдвигались как средство экономического роста, что сопровождалось растущим вниманием к инновационным процессам и инновационной политике (Irvine and Martin, 1994; Jasanoff, 2005; Remington, 1988; Rip, 1998). Следовательно, акцент на процессах инноваций и (промышленном) применении науки занимает центральное место в отношениях между наукой и обществом в период, когда биология становится большой. Этот акцент на науке для инноваций ясно отражен в развитии биологических исследований, где поощряются отношения с промышленностью, а знания о жизни стали товаром, что привело к возникновению биоэкономики (Rose 2001, 2007; Sunder Rajan 2006; Thackray 19).98; Уолдби и Митчелл, 2006).

Кроме того, крупные исследования в области биологии стали важным фактором более широкого движения к внедрению науки в жизнь общества (Gibbons et al., 1996; Nowotny et al., 2001). Потенциал биологии для улучшения здоровья человека и среды обитания узаконивает биологические исследования, но также усложняет их, поскольку затрагивает важные социальные проблемы, которые могут вызвать разногласия, такие как генетически модифицированные продукты питания или исследования стволовых клеток (Hansen 2010; Томпсон 2013). Хотя большая физика также вызвала ряд серьезных противоречий, в контексте растущих биологических исследований вера в науку для прогресса значительно уменьшилась, что отчасти связано с самими результатами большой физики. Более того, биологические науки касаются самой жизни, оказывая влияние на здоровье, питание и наши определения того, что такое жизнь (Tamminen and Vermeulen 2012). Таким образом, в попытке примириться с социальными измерениями науки большая биология была первой формой большой науки, которая комплексно рассматривала эти проблемы. Проект «Геном человека» сопровождался обширной программой по этическим, юридическим и социальным последствиям генетических исследований, которая заложила основу для многих других исследовательских программ взаимодействия между биологией и обществом. Следовательно, особенно в контексте крупномасштабных биологических исследований, внедрение науки в общество стало более важным.

Биология как специфическая форма большой науки

При использовании концепции большой науки в качестве эвристического приема для изучения качественных трансформаций в организации исследования в его историческом и культурном контексте становится очевидным, что сотрудничество в биологии не совсем похоже на большое физика: биология — это другая форма большой науки. Большая биология характеризуется сетевой структурой и интеграцией информационных технологий. Кроме того, история сотрудничества в биологии и роль, которую технология играет в формировании этого сотрудничества, показывают, что технология не является единственным стимулом для сотрудничества, и, следовательно, находит отклик в критике технологической детерминистской природы большой научной литературы (Capshew and Rader 19).92; Вестфолл, 2003 г.). Наряду с технологиями большую биологию формируют рассредоточенный характер исследовательского материала, исследовательский подход и политические движения в сторону международного научного сотрудничества. Более того, при рассмотрении взаимодействия между технологиями и организационными преобразованиями в биологии становится ясно, что технологии являются частью процесса, в котором организация исследований активно изменяется людьми, организациями и научной политикой. Наконец, я показал, что большая биология во многом является продуктом нашего современного общества: она отражает социальные движения к децентрализации, созданию сетей, глобализации и инновациям, а также уделяет внимание этическим, юридическим и социальным последствиям.

Ценность подхода большой науки к увеличивающимся масштабам биологических исследований заключается не только в улучшении понимания феномена в исторической и культурной контекстуализации, но и в содействии пониманию динамики крупномасштабных исследований. Анализ становления большой биологии дает интересные новые идеи в крупномасштабных биологических исследованиях, которые могут помочь понять ее функционирование (Capshew and Rader 1992; Vermeulen 2009). Чтобы проиллюстрировать это, в этом разделе будет дан свежий взгляд на проблемы, возникающие в большой биологии, с акцентом на три препятствия, которые становятся очевидными в случаях построения крупномасштабного сотрудничества: препятствие чрезмерного размера, препятствие интернационализации и инновационное препятствие.

Непреодолимое препятствие

Хотя в настоящее время биология знает несколько впечатляющих крупномасштабных проектов, как в полевой, так и в лабораторной биологии, исследования появления этих проектов представляют ученых, которые изо всех сил пытаются сделать биологию большой (Vermeulen 2009). В частности, проект «Геном человека» потребовал серьезного лоббирования, прежде чем стал реальностью, и, хотя он проложил путь для инвестиций в (пост)геномные исследования во всем мире, такие крупномасштабные усилия в области биологии требуют корректировки структур финансирования, что совсем не простой процесс. В то время как в академическом сообществе можно встретить сопротивление — ученые опасаются перехода финансирования от малого к крупному (см. также Vermeulen et al. 2010), — некоторым предлагаемым проектам просто не удается найти финансирование, соответствующее желаемому масштабу. Например, в области системной биологии ученые предлагают широкомасштабное сотрудничество для моделирования (частей) человеческого тела, но несколько планов на европейском уровне до сих пор не реализованы (например, ESF Forward Look в системной биологии, который, среди прочего, создать Европейскую организацию системной биологии, а также европейский флагманский проект «ИТ для будущего медицины» (ITFOM), направленный на дальнейшее развитие моделирования для медицинских приложений). ¹⁷ Ученые, прилагающие большие усилия для расширения биологии, озадачены этим. Почему так трудно сделать биологию большой? Вопрос, который становится еще более острым ввиду того факта, что традиционные формы большой науки, такие как большая физика и космические исследования, по-прежнему способны привлекать средства, хотя ожидаемые социальные выгоды менее очевидны. Как мы можем понять, что биологию трудно сделать большой, даже если такие проекты приносят очевидную социальную пользу?

Размышляя над этим вопросом с пониманием характера большой биологии из вышеприведенного анализа, объяснение этого препятствия можно найти в историческом преимуществе традиционной большой науки над биологией как новой формой большой науки. История показывает, что традиционная большая наука создавалась в то время, когда правительства играли сильную руководящую роль, а наука была источником политической власти. Крупномасштабные научные проекты имели четкую политическую функцию, как, например, ЦЕРН, который способствовал созданию объединенной Европы после Второй мировой войны (Pestre and Krige 19). 92). В этом послевоенном контексте такая организация, как ЦЕРН, смогла создать прочный организационный механизм. Со временем они приобрели обширный опыт лоббирования, который помогает им постоянно обеспечивать политическую поддержку, финансирование и, следовательно, устойчивость. В результате ЦЕРН по-прежнему оказывается политически устойчивым, поскольку отдельные страны не могут выйти из международной организационной структуры ЦЕРН. Таким образом, постоянное финансирование традиционных форм большой науки в первую очередь является следствием их установившейся величины: как только большая наука построена, ее трудно снова разрушить (Lambright 19).98). Или, как выразился физик, работающий в ЦЕРН: «Сегодня мы не смогли бы построить ЦЕРН» ¹⁸ . Таким образом, он не только ссылается на историческое преимущество большой физики по сравнению с большой биологией, но также предполагает, что в текущей среде научной политики большая физика не сможет появиться (см. также Кевлес (1997) о гибели сверхпроводящего суперколлайдера). ). На этом фоне нетрудно понять, что сделать биологию крупной оказывается непростой задачей. Нет никаких исторических заявлений о величии, нет инвестиций в крупные инструменты, нет предварительных международных политических обязательств, требующих выполнения, нет большого опыта в организации работы по лоббированию большой биологии.

В конкретном случае сверхмасштабной системной биологии становится очевидным, насколько сложным на самом деле является построение крупномасштабной биологии в современном обществе. Системная биология — это интегративный подход, целью которого является синтез информации о различных компонентах жизни в модели, имитирующие клеточные или организменные процессы, органы или даже целые живые организмы, чтобы понять, рассчитать и предсказать жизнь (Калверт и Фуджимура, 2011). Поскольку создание моделей жизни требует междисциплинарного сотрудничества, критической массы и международной стандартизации, ученые утверждают, что масштабы сотрудничества должны даже превысить проект «Геном человека». Таким образом, и в процессе создания этого нового исследовательского подхода ученые-биологи лоббировали как внутри, так и за пределами научного сообщества, убеждая коллег-ученых, политиков и политиков, а также промышленность в его важности (Vermeulen 2012). Однако, несмотря на то, что концепция системной биологии оказалась весьма успешной, международные крупномасштабные проекты еще не материализовались.

Первоначально многие ученые скептически относились к целям и стремлениям системной биологии (например, Plasterk, 1993), но теперь этот ярлык фигурирует в различных типах исследований (Bock von Wülfingen, 2009), твердо стоит на повестке дня научной политики и пишется на стена нескольких специализированных научно-исследовательских институтов. Местные институты системной биологии созданы в Японии, США и ряде европейских стран. Тем не менее, Германия — единственная страна, разработавшая крупномасштабный национальный исследовательский проект по моделированию печени человека, а в других странах и на международном уровне исследования фрагментированы. ¹⁹ На европейском уровне системная биология стала темой, начиная с 7-й Рамочной программы, но, хотя эти проекты предоставляют возможности для международной координации, они не имеют такой согласованности, как проект «Геном человека».

Причины такой фрагментации исследований могут быть связаны с разделением между учеными и их подходами и отсутствием (международной) национальной научной координации, а также с тем фактом, что научная политика в основном формируется на национальном уровне, что приводит к местному финансированию. В то время как некоторые ученые довольны нынешней фрагментацией и относительно небольшими усилиями, другие постоянно пытаются расширяться, ища соответствующие источники (международного) финансирования (например, Инициатива Neercanne, которая явно направлена ​​​​на обсуждение расширения масштабов биологии). и текущие усилия по разработке европейской инфраструктуры системной биологии). ²⁰ Они пытаются убедить политиков, финансирующие организации и промышленность, обращая особое внимание на воздействие на здоровье человека, например, на метаболическую систему (ожирение) или персонализированную медицину (Hood et al. 2012). Однако, поскольку для разработки этих приложений системной биологии потребуется значительное время и нельзя обещать немедленных результатов, промышленность неохотно делает большие инвестиции, а правительство предоставляет только краткосрочные инвестиции.

В целом временный характер инвестиций в крупную биологию отличает ее от большой физики, которая основана на долгосрочных финансовых вложениях в крупные приборы. Вслед за центрами секвенирования национальные инвестиции в крупномасштабную биологию неоднократно принимали форму временных проектов или новых центров — например, центров системной биологии и синтетической биологии — финансируемых в течение пяти лет, что больше соответствует политический, чем научный цикл (см. также Vermeulen 2015). Поскольку не используются крупные инструменты, отказаться от таких вложений гораздо проще, что повлияет на непрерывность научной работы и карьеру молодых исследователей. Как и в некоторых областях биологии, долгосрочные исследования являются необходимым условием для ответа на вопросы о долгосрочных разработках; ученые сталкиваются с проблемой поиска финансирования, которое является большим с точки зрения времени. Сеть долгосрочных экологических исследований является примером распределенной крупномасштабной исследовательской сети, которая могла расширяться с течением времени, но это исключительный случай (Parker et al. 2010).

Препятствие интернационализации

Как уже становится очевидным в попытках масштабировать системную биологию, трудно найти финансирование для крупномасштабных международных исследовательских проектов. Мы живем в глобализованном мире, где — и это особенно верно в научной сфере — преобладает интернационализация. В то же время крупномасштабные исследовательские проекты, выходящие за национальные и региональные (например, европейские) границы, сообщают о трудностях с поиском финансирования (Vermeulen 2009).). В то время как, с одной стороны, научная политика способствует интернационализации путем гармонизации высшего образования, стимулирования международной мобильности исследователей и акцента на международных публикациях, она, по-видимому, не обеспечивает возможности размещения крупномасштабных международных исследовательских проектов. Это особенно проблематично в области биологии, поскольку часто разбросанный исследовательский материал требует работы в глобальном масштабе. Как мы можем понять это препятствие интернационализации?

Хорошим примером проекта, столкнувшегося с проблемами международного сотрудничества, является Перепись морской жизни (CoML). Этот крупномасштабный международный проект посвятил первое десятилетие двадцать первого века оценке разнообразия, распространения и изобилия морской жизни в прошлом, настоящем и будущем (Vermeulen 2012). С акцентом на современность 2700 морских биологов из 80 стран нанесли на карту жизнь в различных пространствах мирового океана — от берега до морских глубин; от Антарктики до Карибского моря — сохраняя результаты своих исследований в Системе биографической информации об океане (ОБИС), разработанной в ходе проекта. Хотя найти финансирование исследований в области морской биологии уже чрезвычайно сложно, почти невозможно найти средства для международного сотрудничества. Или, как заявил французский член научного руководящего комитета: «Это правда, что если у вас есть связь с другой страной или лабораторией, финансировать ее непросто. Пока очень достойно работать вместе, поэтому я считаю это глупостью». ²¹ Чтобы решить проблему финансирования, CoML нашел нью-йоркский Фонд Альфреда П. Слоана, готовый покрыть расходы на международную координацию, а также найти финансирование исследований из большего количества местных источников. Благодаря этому творческому решению CoML впервые стимулировала сотрудничество между США и Европой. Специалист по Chaetognatha (черви-стрелы) отметил: «Такое сотрудничество имеет большую дополнительную ценность, поскольку люди в Европе и США имеют разные специализации, которые мы теперь можем объединить, что дает нам новое понимание». ²² И после охвата Восточной и Западной Атлантики перепись вскоре распространилась и на другие регионы: «Многие страны, включая Индию и Китай, имеют сильные исследовательские программы в области морского биоразнообразия, что должно усилить долгосрочное внимание к вопросам, связанным с переписью». говорит член руководящей группы из Канады. ²³ А с созданием региональных и национальных узлов в Австралии, Канаде, Карибском бассейне, Китае, Европе и Индийском океане перепись нашла локальный подход к интернационализации исследований.

При сравнении проблем глобальной экспансии в современной крупномасштабной биологии с большой физикой становится ясно, что, хотя исследования становятся все более интернациональными, научная политика и особенно схемы ее финансирования не в состоянии идти в ногу с этой тенденцией. Большая наука в первую очередь является продуктом американского общества и изначально не выходила за рамки национальных границ. Поскольку Соединенные Штаты сами по себе достаточно велики, они смогли создать большие физические и крупномасштабные космические программы в пределах своих национальных границ в то время, когда наука использовалась для создания национальной мощи на международном игровом поле. Однако большая биология становится большой в то время, когда исследования в значительной степени являются международным делом, когда страны по-прежнему готовы финансировать только национальные исследования, и лишь немногие организации, финансирующие научные исследования, имеют соглашения о совместном финансировании международных исследований. Благодаря своей политической, экономической и научной интеграции Европейский Союз также приобрел пространство, которое позволяет проводить крупномасштабные международные исследования, но из-за его структур сотрудничества научное сотрудничество необходимо формировать в заранее определенных пространствах и временных рамках, которые не всегда совпадают с научные требования. Более того, научные проекты, финансируемые Европейской комиссией, должны, в соответствии с европейским законодательством, способствовать инновациям. ²⁴ Сюда не входят фундаментальные исследовательские проекты, такие как Перепись морской жизни.

Разрыв между крупной биологией, ориентированной на международный уровень, и финансированием, ориентированным на страну, очевидно, усложняет создание крупномасштабных биологических исследований. Тем более, что большая биология с ее распределенным сетевым характером более глобально распространена, чем более централизованная большая физика. Хотя эту форму сети также можно превратить в преимущество, поскольку узлы сети могут запрашивать национальное финансирование в стране, создавая лоскутное одеяло из проектов, которые объединяются на международном уровне, эта стратегия также имеет свои недостатки. Во-первых, опыт CoML показывает, что дополнительное финансирование международной координации является основной предпосылкой для такого лоскутного подхода. В случае координации CoML финансирование поступило от Фонда Слоана, но благотворительные фонды не всегда доступны и часто поддерживают только определенные виды исследований. Во-вторых, лоскутный подход исключает страны, у которых нет национальных фондов для исследования темы. В случае CoML это означало, что некоторые важные районы морского биоразнообразия, прежде всего вокруг Африки и Южной Америки, не могли быть охвачены, что повлияло на результаты исследований. Наконец, из-за того, что у всех национальных исследовательских агентств разные требования, лоскутное одеяло состоит из множества проектов с разными заинтересованными сторонами, методами и целями, а также с разным временем и охватом пространства. Это разнообразие делает гармонизацию исследований трудной или даже невозможной. В то время как CoML удалось решить эту проблему, поскольку созданная база данных представляет собой довольно свободную форму интеграции исследований, которая допускает включение различных форм результатов исследований, в случае системной биологии такое отсутствие гармонизации проблематично при стремлении построить функционирующую систему. модель жизни, которая требует единых исследовательских процессов и стандартов.

Препятствие для инноваций

Еще одно препятствие в большой биологии связано с тем, как со временем менялись ожидания от науки, что нашло отражение в требованиях к финансированию исследований. Прочный организационный механизм классических форм большой науки был построен во времена старого общественного договора, когда господствовало твердое убеждение, что фундаментальная наука приведет к общественному прогрессу. Напротив, в настоящее время от науки ожидается, что она представит четкую концепцию экономических и социальных выгод своих исследований для общественного блага, чтобы получить финансирование (Douglas 2005; Nowotny et al. 2001; Rip 19).98). Однако, хотя исследования жизни имеют много потенциальных приложений, полезных для общества, особенно большая биология должна доказать свой инновационный потенциал, что имеет важные последствия для построения крупномасштабного сотрудничества.

Преимущества большой биологии не предполагаются, и всегда ожидается, что ученые-биологи будут знать будущие (промышленные) приложения своих исследований. И хотя они часто могут вызвать существенное потенциальное воздействие на улучшение здоровья, питания или окружающей среды, им также приходится решать невыполненные обещания и решать этические проблемы. В результате системным биологам, например, нужно не только продемонстрировать преимущества своих собственных исследований, но и объяснить, как их обещания превратятся в реальность, несмотря на то, что проект «Геном человека» не реализовал свое обещание найти лекарства от болезней. все основные заболевания. Кроме того, им необходимо предвидеть этические последствия своих исследований, чтобы найти способы решения этих проблем должным образом, хотя эти проблемы редко бывают простыми и часто трудными для понимания. ²⁵ Следовательно, биология должна наращивать свою значимость в среде, в которой применение ставится выше более простых форм науки, и для того, чтобы получить финансирование для исследований, должны быть четкие аргументы в отношении воздействия на общество, включая этические последствия. Кроме того, чтобы гарантировать применимость исследований, программы финансирования часто требуют сотрудничества с промышленностью.

Например, Голландская инициатива по геномике, которая отвечала за улучшение исследований в области геномики в Нидерландах, решила финансировать так называемые «инновационные исследовательские проекты», которые требуют от промышленности формулировки исследовательского вопроса и руководства исследовательским консорциумом (Vermeulen 2015). Поэтому, когда доктор Арно Андевег, вирусолог из Университета Эразма в Роттердаме, захотел использовать геномику для исследования взаимодействия между хозяином и респираторными вирусами (такими как грипп), он столкнулся с этими конкретными критериями для получения финансирования. Следовательно, он вписал исследовательские планы своего так называемого проекта VIRGO (аббревиатура, являющаяся сокращением вирусологии и геномики) в формат финансирования. Он привлек компании, с которыми его отдел ранее работал вместе, и отдал инициативу дочерней компании отдела. И поскольку международные партнеры не допускались, он также оставил консорциум исключительно национальным, несмотря на то, что вирусология является областью, в которой международное сотрудничество занимает центральное место. Эти адаптации плана исследования оказались успешными, поскольку проект собрал средства.

Тем не менее, случай VIRGO показывает, как эта потребность в инновациях может также отвлекать от проведения хороших исследований, которые применимы. Чтобы адаптироваться к требованиям финансирования, вирусологические исследования должны были соответствовать практике как правительства, так и промышленности, что повлияло на научную практику. ²⁶ Например, при посредничестве между различными временными рамками исследовательского процесса, ежегодным административным временем и производственным временем выхода на рынок (TTM), проектная практика показывает, что административное время часто брало верх:

Летом [2003 года] мы уже знали, что занимаем второе место в научном обзоре около семидесяти проектов, которые в конечном итоге получат финансирование, поэтому мы знали, что у нас очень большие шансы. Но прошел почти год, прежде чем мы действительно получили письмо, с которого можно было начинать. Это было примерно в марте или апреле 2004 года. И, что еще хуже, нам пришлось начать задним числом в январе. ²⁷

Это также означало, что первая оценка была проведена сразу после начала проекта с обзорным отчетом, в котором говорилось: «На самом деле Комитет имел возможность только проанализировать запланированные мероприятия и предварительные данные. Оценить производительность всех рабочих пакетов было невозможно» (Johnston et al. 2007: 11). Более того, акцент Нидерландской геномной инициативы на инновациях даже заставил их запросить ожидаемое количество патентов от проекта, пренебрегая непредсказуемым характером исследований:

Если вы можете предсказать, каким будет результат вашего исследования, вам больше не нужно проводить исследования […] И они хотят, чтобы это [количество патентов] указывалось в год. Это все равно, что предсказывать, в каком городе ты будешь жить через 10 лет, а также знать, на какой улице и под каким номером […] Если бы я уже знал, я бы не работал в академии, а работал бы советником в Компания. ²⁸

Как показывают эти трудности инновационного проекта VIRGO, наличие инновационного потенциала может также усложнить создание крупномасштабных исследовательских проектов, а также исследовательскую практику.

Более того, потребность в инновациях разжигает конкуренцию между отдельными людьми и группами, что может стать препятствием для сотрудничества. Это стало очевидным, например, благодаря практически пустой базе данных в рамках проекта European Framework по системной биологии. В то время как обмен данными является ключевой целью при моделировании жизни, карьера постдоков, работающих над экспериментами, зависит от их способности публиковать статьи первого автора в хороших журналах, что может быть сделано только на основе надежных и эксклюзивные данные, демонстрирующие инновации. Таким образом, они не хотят делиться своими данными, и это правильно, поскольку их будущее висит на волоске. ²⁹ Кроме того, группы, работающие вместе в контексте German Liver Network, в то же время конкурировали друг с другом за другие типы исследовательских фондов, что, очевидно, также создает нагрузку на открытость и дух сотрудничества.

Мирослав Радман, успешный хорватский биолог, работающий в лаборатории TAMARA во Франции и создавший Средиземноморский институт наук о жизни у себя на родине, провел аналогию между коллективным исполнением науки и музыки. ³⁰ В то время как небольшие творческие коллективы можно сравнить с джаз-бэндами, крупные коллективы можно рассматривать как симфонические оркестры. В то время как небольшие джазовые коллективы импровизируют, а их музыка является продуктом игривого взаимодействия между музыкантами, способными вдохновлять друг друга на исполнение замечательных соло, симфонические оркестры намного крупнее, все должны быть синхронизированы, точно зная, что они будут играть. Хотя это замечательная метафора для научного сотрудничества, она может показаться слишком черно-белой, поскольку и в крупномасштабном сотрудничестве может быть место для некоторой импровизации и неожиданности в рамках создания организационных структур. Поэтому я предлагаю сравнить большую науку с большой группой: большой группой тщательно спланированных людей под управлением лидера группы, исполняющих заранее подготовленные музыкальные аранжировки с временами пространством для импровизации.

Дальнейшее развитие этой метафоры большой науки как биг-бэнда или симфонического оркестра показывает, что в обоих случаях важны не только музыканты или ученые, но и среда, в которой они действуют. Качество музыки зависит не только от музыкантов и их инструментов, но и от их музыкального образования, имеющегося репертуара, мастерства дирижера, формы здания, в котором исполняется музыка, заинтересованности публики. и культурная атмосфера страны, в которой базируется оркестр. То же самое относится и к большой науке. Характер большой науки определяется не только числом ученых, вложенных в исследования, или размерами инструментов — на научные коллективы влияют также предмет исследования, вопросы, которые они задают, и социальные условия. и политическая среда, в которую они встроены.

Таким образом, и как я утверждал в этой главе, использование широкой научной перспективы позволяет сравнивать построение крупномасштабных коллабораций в биологии с аналогичными движениями в других областях, а не только сравнивать различные типы и структуры, связанные с эпистемические различия, но и сравнение конкретных форм исторической и культурной ситуативности. Подчеркивая это взаимодействие между наукой и ее контекстом, анализ биологии через призму большой науки также выявляет определенные трудности во взаимодействии между построением крупномасштабной биологии и современным социальным контекстом. Следовательно, концепция большой науки может улучшить понимание динамики крупномасштабного сотрудничества в биологии и других областях исследований и по-прежнему оставаться ценным дополнением к современным исследованиям научного сотрудничества (например, Shrum et al., 2007; Hackett et al. 2016; Кук и Хилтон, 2015).

Я хотел бы поблагодарить своих собеседников, предоставивших мне ценную информацию, а также Вибе Бийкера, Джона Паркера, Вивиан ван Саазе, Эндрю Вебстера, Рейна де Уайльда и анонимных рецензентов за их комментарии к более ранним версиям этой статьи. Кроме того, я хотел бы поблагодарить Wellcome Trust за поддержку моей работы с 2012 года в рамках стипендии в области медицинских гуманитарных наук. Наконец, я хочу поблагодарить команду по сотрудничеству и конкуренции LMU в Мюнхене и особенно Карин Никельсен за плодотворный обмен мнениями и их усилия по составлению этого специального выпуска. Я с нетерпением жду дальнейшего сотрудничества с вами в будущем.

¹ Интересно, что большинство исследований в рамках проекта «Геном человека» сосредоточены на правовых, этических и социальных последствиях исследования, а не на организационных преобразованиях в исследованиях. Дрегер (2000) утверждает, что бюджет исследований ELSI, который был выделен вместе с проектом «Геном», «как правило, фокусировал анализ не на потенциальных применениях генетических исследований, а на характере, значении и уместности самих исследований» (там же). .: 171).

^{2 902:52 Интервью с профессором Роэлем ван Дриэлем, Университет Амстердама. Амстердам: 30 марта 2005 г.}

³ Это исследование ограничено исследованиями, проведенными в академических кругах, и не рассматривало промышленное сотрудничество, поскольку эти типы сотрудничества уже подробно анализируются в других источниках, особенно в литературе по государственно-частному сотрудничеству.

⁴ См. также «Ttribution to Alvin M. Weinberg», Oak Ridge National Laboratory Review (28), URL: http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev28-1/text/wbg .htm (последнее обращение 28.03.2006).

⁵ В то время как концепция большой науки имеет количественную и качественную сторону, я сосредоточусь здесь особенно на последней. Тем не менее, даже с библиометрической точки зрения рост биологии подтверждается ростом публикаций (см. Vermeulen et al. 2013).

⁶ Отношения между DoE и NIH в отношении HGP обсуждались на научном симпозиуме «От двойной спирали к человеческой последовательности и далее» в Национальном институте здравоохранения, Бетесда/Вашингтон, округ Колумбия, 14–15 апреля 2003 г.

⁷ Спектрометр берет свое начало в физических и химических науках, но с 1930-х годов стал использоваться в биологии (Zallen 1992). Короче говоря, спектроскопия использует свет и характер его поглощения для определения веществ в образце, а в биологии она используется для характеристики взаимодействий между молекулами.

⁸ Например, первый ЯМР-аппарат, который купил Де Би, стоил 150 000 голландских гульденов, что составляет менее 75 000 евро, а последний ЯМР, который он приобрел, стоил 6 миллионов евро. Хотя последняя машина была, вероятно, в 10 000 раз лучше первой, «это указывает на огромное увеличение масштаба». Интервью с доктором Риен де Би, Центр Bijvoet, Утрехтский университет. Утрехт: 10 ноября 2006 г.

⁹ Центр Bijvoet является результатом сотрудничества Утрехтского университета и Нидерландского фонда химических исследований (SON), посвященного структурной биологии. Информация получена с веб-сайта Центра Бийвоет, Историческая справка, URL: http://www.bijvoet-center.nl/about/history (последний доступ 30 ноября 2006 г.).

¹⁰ Интервью с доктором Де Би (2006 г.).

¹¹ Интервью с профессором Дайанной Боулз, факультет биологии Йоркского университета, Йорк: 30 августа 2006 г. и доктором Де Би (2006 г.).

¹² Интервью с профессором Боулзом (2006 г. ), интервью с профессором Дейлом Сандерсом, заведующим кафедрой биологии Йоркского университета, 12 декабря 2005 г. и интервью с доктором Марианной ван дер Вуд, кафедра биологии Йоркского университета, 15 декабря 2005 г. 2005.

¹³ Интервью с профессором Боулзом (2006).

¹⁴ По словам Пиллмура, директора технологического центра. Пиллмор цитируется в тематическом исследовании Bioscience на технологическом предприятии Йоркского университета. Получено из Интернета, URL: http://www.bioscience-yorkshire.com/assets/oldassets/bio/c_York_University.pdf (последний доступ 03.12.2006).

¹⁵ Примерами таких баз данных являются GenBank и Ensembl. Genbank находится в ведении NCBI Национального института здравоохранения, а Ensembl’ является результатом сотрудничества между Европейской лабораторией молекулярной биологии, Европейским институтом биоинформатики и Институтом Сангера.

¹⁶ Посещение ЦЕРН и интервью с профессором Корсом Босом, координатором вычислений эксперимента ATLAS, ЦЕРН, Женева, Швейцария: 30 апреля 2008 г. /www.esf.org/index.php?eID=tx_nawsecuredl&u=0&file=fileadmin/be_user/research_areas/emrc/FL/SYSTEMS%20BIOLOGY.pdf&t=1412683083&hash=e397a86e9306ad805e0fa0b9af1cb2faa1726ff8 и смотрите европейский флагманский проект ITFoM http://www.itfom.eu/.

¹⁸ Интервью с профессором Босом (2008 г.). См. также Kevles (1997) о смерти SSC.

¹⁹ Интервью с доктором Адриано Хенни, директором программы Virtual Liver Network, Манчестер, 4 марта 2012 г. Информацию о Virtual Liver Network см. по адресу: http://www.virtual-liver.de/.

²⁰ Для получения дополнительной информации об инициативе Neercanne см. URL-адрес: http://www.ncsb.nl/workshop/neercanne; и для Европейской инфраструктуры для системной биологии перейдите по URL-адресу: http://project.isbe.eu/.

²¹ Интервью с профессором Мириам Сибуэ, IFREMER, Франция. Маастрихт: 20 сентября 2006 г.

²² Интервью с доктором Аннелис Пьеро-Бултс, Амстердамский университет. Амстердам: 8 января 2007 г.

²³ Интервью с профессором Майклом Синклером, Бедфордский институт океанографии, Канада. Маастрихт: 20 сентября 2006 г.

²⁴ Интервью с доктором Генриеттой ван Эйл, генеральным директором по исследованиям, Европейская комиссия, Брюссель, Бельгия, 19 апреля., 2005.

²⁵ Это стало очевидным на семинаре «Новая биология и общество: возможности, вызовы и мифы» в Лоренц-центре Лейденского университета, 31 января – 3 февраля 2011 г. (URL: http:/ /www.lorentzcenter.nl/lc/web/2011/431/info.php3?wsid=431).

²⁶ См. также Vermeulen (2015), где я диагностировал это как процесс асимметричной конвергенции в соответствии с работой Kleinman and Vallas (2001).

²⁷ Интервью с доктором Арно Андевегом, Медицинский центр Эразмус, Роттердам: 29 апреля, 2005 г. и Утрехт: 14 ноября 2012 г.

²⁸ Там же.

²⁹ Эти примеры взяты из интервью и полевых исследований появления системной биологии в Манчестере и Берлине в период 2012–2014 гг.

³⁰ См. лабораторию TAMARA (URL: http://www.necker.fr/tamara/) и Средиземноморский институт наук о жизни (URL: http://www.medils.org).

• Аббат Джанет. Изобретение Интернета. Кембридж, Массачусетс: MIT Press; 1999. [Google Академия]
• Аронова Елена, Пекарь Карен С, Орескес Наоми. Большая наука и большие данные в биологии: от Международного геофизического года через Международную биологическую программу к Сети долгосрочных экологических исследований (LTER), 1957 – настоящее время. Исторические исследования в естественных науках. 2010;40:183–224. [Google Scholar]
• Эпплби П. Хенсон. Большая демократия. Нью-Йорк: Кнопф; 1945. [Google Scholar]
• Баллард Роберт Д., Хайвли Уилл. Вечная тьма: личная история глубоководных исследований. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета; 2000. [Google Академия]
• Балмер Брайан. Управление картированием в проекте генома человека. Социальные исследования науки. 1996; 26: 531–574. [Google Scholar]
• Баркер Роберт Г., Гамп Пол В. Большая школа, маленькая школа. Стэнфорд, Калифорния: Издательство Стэнфордского университета; 1964. [Google Scholar]
• Beaulieu Anne. От банка мозгов к базе данных: информационный поворот в изучении мозга. Исследования по истории и философии биологических и биомедицинских наук. 2004; 35: 367–390. [Google Scholar]
• Белл Дэниел. Приход постиндустриального общества: опыт социального прогнозирования. Нью-Йорк: Основные книги; 1973. [Google Scholar]
• Берман Маршалл. Все твердое растворяется в воздухе: опыт современности. Лондон: Оборотная сторона; 1983. [Google Scholar]
• Бок фон Вюльфинген Беттина. Есть ли поворот к системным подходам в науках о жизни? Отчеты ЕМБО. 2009; 10:37–42. [Google Scholar]
• Бокинг Стивен. Экологи и экологическая политика: история современной экологии. Нью-Хейвен: Издательство Йельского университета; 1997. [Google Scholar]
• Буш Ванневар. Наука, бесконечный рубеж: доклад президенту. Нью-Йорк: Арно Пресс; 1980. [Google Scholar]
• Калверт Джейн. Системная биология, большая наука и большие вызовы. Биообщества. 2013; 8: 466–479. [Google Scholar]
• Кантор Чарльз Р. Организация проекта генома человека. Наука. 1990; 248:49–51. [PubMed] [Google Scholar]
• Кэпшоу Джеймс Х., Рейдер Карен А. Большая наука: цена настоящего. Осирис. 1992; 7: 2–25. [PubMed] [Google Scholar]
• Кастельс Мануэль. Возникновение сетевого общества. Оксфорд: Блэквелл; 1996. [Google Scholar]
• де Чадаревян Сорайя. Проекты для жизни: молекулярная биология после Второй мировой войны. Кембридж: Издательство Кембриджского университета; 2002. [Google Scholar]
• Чек Эрика, Кастеллани Федерика. Давид против Голиафа. Природа. 2004; 432: 546–548. [PubMed] [Google Scholar]
• Кук-Диган Роберт М. Войны генов: наука, политика и геном человека. Нью-Йорк: Нортон; 1994. [Google Scholar]
• Кук Нэнси Дж., Хилтон Маргарет Л., редакторы. Повышение эффективности командной науки. Вашингтон, округ Колумбия: Национальные академии наук; 2015. [Google Академия]
• Кроуфорд Сьюзен. Дерек Джон Де Солла Прайс (1922–1983): Человек и вклад. Бюллетень Медицинской библиотечной ассоциации. 1984; 72: 238–239. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Creager Angela H, Santesmases María Jesús. Радиобиология в атомный век: изменение исследовательской практики и политики в сравнительной перспективе. Журнал истории биологии. 2006; 39: 637–647. [Google Scholar]
• Криз Роберт П. Создание физики: биография Брукхейвенской национальной лаборатории, 1946–1972. Чикаго: Издательство Чикагского университета; 1999. [Google Scholar]
• Дэвис Боб. Да, это бюрократизирует, политизирует исследования. Ученый. 1990;4:13. [Google Scholar]
• ван Дейк Ян Общее собрание акционеров. De Netwerkmaatschappij: социальные аспекты новых СМИ. Хаутен: Бон Стафлеу Ван Логхум; 1991. [Google Scholar]
• Доинг Парк. «Лабораторные руки» и «Алый О»: эпистемологическая политика и (научный) труд. Социальные исследования науки. 2004; 34: 299–323. [Академия Google]
• Друкер Питер Фердинанд. Большой бизнес. Лондон/Торонто: В. Хайнеманн; 1947. [Google Scholar]
• Друкер Питер Фердинанд. Эпоха разрыва: руководство для нашего меняющегося общества. Лондон: Хайнеманн; 1969. [Google Scholar]
• Эйхингер Нора. Европейское финансирование нацелено на большую биологию; Метагеномика и вариомика получают выгоду от раунда грантов. Природа. 2007; 445:8–9. [PubMed] [Google Scholar]
• Фэй Чарльз Норман. Большой бизнес и правительство. Нью-Йорк: Моффат, Ярд и Ко; 1912. [Google Scholar]
• Фернандес-Арместо Фелипе. Следопыты: глобальная история исследований. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета; 2006. [Google Scholar]
• Флек Людвик. В: Генезис и развитие научного факта. Тренн Т.Дж., Мертон Р.К., редакторы; Брэдли Ф., Тренн Т.Дж., переводчики. Чикаго: Издательство Чикагского университета; 1981. [Google Scholar]
• Фортун Майкл. Проект генома человека и ускорение биотехнологии. В: Текрей Арнольд., редактор. Частная наука: биотехнология и рост молекулярных наук. Филадельфия: Издательство Пенсильванского университета; 1998. стр. 182–201. [Google Scholar]
• Гэлисон Питер, Хевли Брюс. Большая наука: рост крупномасштабных исследований. Стэнфорд: издательство Стэнфордского университета; 1992. [Google Scholar]
• Галисон Питер. Введение: Многоликость большой науки. В: Галисон Питер, Хевли Брюс, редакторы. Большая наука: рост крупномасштабных исследований. Стэнфорд: издательство Стэнфордского университета; 1992. С. 1–17. [Google Scholar]
• Галисон Питер. Образ и логика: материальная культура микрофизики. Чикаго: Издательство Чикагского университета; 1997. [Google Scholar]
• Галисон Питер, Джонс Кэролайн. Фабрика, Лаборатория, Студия: Распределительные Производственные площадки. В: Галисон Питер., редактор. Архитектура науки. Кембридж: MIT Press; 1999. [Google Scholar]
• Гарсия-Санчо Мигель. Биология, вычислительная техника и история молекулярного секвенирования — от белков до ДНК, 1945–2000 гг. Лондон: Пэлгрейв Макмиллан; 2012. [Google Scholar]
• Гарфилд Юджин. Дань уважения Дереку Джону де Солле Прайсу: смелому, иконоборческому историку науки. Очерки информатика. 1984;7:213–217. [Google Scholar]
• Gaudilliére Jean Paul, Rheinberger Hans-Jörg., редакторы. От молекулярной генетики к геномике: картирование культур генетики двадцатого века. Лондон: Рутледж; 2004. [Google Scholar]
• Гиббонс Майкл, Лимож Камиль, Новотны Хельга, Шварцман Саймон, Скотт Питер, Троу Мартин. Новое производство знаний: динамика науки и исследований в современных обществах. Лондон: SAGE; 1994. [Google Scholar]
• Гласнер Питер. От сообщества к «сотрудничеству»? Проект картирования генома человека и меняющаяся культура науки. Наука и государственная политика. 1996;23:109–116. [Google Scholar]
• Гласнер Питер. За пределами генома: воссоздание новой генетики. Новая генетика и общество. 2002; 21: 267–277. [Google Scholar]
• Groenewegen Peter, Wouters Paul. Геномика, ИКТ и формирование научно-исследовательских сетей. Новая генетика и общество. 2004; 23: 167–185. [Google Scholar]
• Гастон Дэвид Х. Между политикой и наукой: обеспечение целостности и продуктивности исследований. Кембридж: Издательство Кембриджского университета; 2000. [Google Академия]
• Хакетт Эдвард Дж. Введение в специально отредактированный гостевым выпуском о научном сотрудничестве. Социальные исследования науки. 2005; 35: 667–672. [Google Scholar]
• Хакетт Эдвард, Паркер Джон, Вермюлен Ники, Пендерс Барт. В: Социальная и эпистемологическая организация научной работы, представленная в Справочник STS. Фелт Ульрике, Миллер Кларк, Смит-Доер Лорел, Фуше Рон., редакторы. Том. 4. предстоящий. [Google Scholar]
• Хансен Янус. Биотехнология и общественное участие в Европе. Лондон: Пэлгрейв Макмиллан; 2010. [Google Академия]
• Хендрик Бертон Джесси. Эпоха большого бизнеса. Нью-Хейвен: Издательство Йельского университета; 1919. [Google Scholar]
• Хевли Брюс. Послесловие: размышления о большой науке и большой истории. В: Галисон Питер, Хевли Брюс, редакторы. Большая наука: рост крупномасштабных исследований. Стэнфорд: издательство Стэнфордского университета; 1992. С. 355–366. [Google Scholar]
• Хилгартнер Стивен. Джасанофф Шейла, Маркл Джеральд Э., Петерсон Джеймс С., Пинч Тревор Дж. Справочник по исследованиям в области науки и техники. Тысяча дубов; Мудрец: 1995. Проект «Геном человека»; стр. 302–315. [Google Scholar]
• Хайн Кристин. Базы данных как научные инструменты и их роль в упорядочении научной работы. Социальные исследования науки. 2006; 36: 269–298. [Google Scholar]
• Ходдесон Лилиан, Бэйм Гордон. Критическая сборка: техническая история Лос-Аламоса в годы Оппенгеймера, 1943–1945. Кембридж: Издательство Кембриджского университета; 1993. [Google Scholar]
• Худ Лерой, Баллинг Руди, Оффрэ Чарльз. Революция в медицине 21 века с помощью системных подходов. Биотехнологический журнал. 2012;7:937–1054. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Ирвин Джон, Мартин Бен Р. Предвидение в науке. Лондон: Пинтер; 1984. [Google Scholar]
• Ясанофф Шейла. Рисунки на природе: наука и демократия в Европе и США. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета; 2005. [Google Scholar]
• Шейла Джасанофф, Маркл Джеральд Э., Петерсон Джеймс С., Пинч Тревор Дж., редакторы. Справочник по науке и технологиям. Тысяча дубов, Калифорния: Sage; 1995. [Google Академия]
• Юнгк Роберт. Большая машина. Нью-Йорк: Скрибнер; 1968. [Google Scholar]
• Katz J Sylvan, Martin Ben R. Что такое научное сотрудничество? Политика исследований. 1997; 26:1–18. [Google Scholar]
• Кей Лили Э. Кто написал книгу жизни: история генетического кода. Стэнфорд: издательство Стэнфордского университета; 2000. [PubMed] [Google Scholar]
• Келлер Эвелин Фокс. Переосмысление жизни: метафоры биологии двадцатого века. Нью-Йорк: издательство Колумбийского университета; 1995. [Google Академия]
• Кевлес Дэниел Дж., Худ Лерой. Кодекс кодов: научные и социальные проблемы в проекте генома человека. Кембридж: Издательство Гарвардского университета; 1992. [PubMed] [Google Scholar]
• Кевлес Дэниел Дж. Большая наука и большая политика в Соединенных Штатах: размышления о смерти SSC и жизни проекта генома человека. Исторические исследования в физических и биологических науках. 1997; 27: 269–298. [Google Scholar]
• Клейнман Дэниел Ли. Нечистые культуры: университетская биология и мир торговли. Мэдисон: Издательство Висконсинского университета; 2003. [Google Академия]
• Клейнман Дэниел Ли, Валлас Стивен. Противоречие в конвергенции: университеты и промышленность в области биотехнологии. В: Фриккель Скотт, Мур Келли, редакторы. Новая политическая социология науки: институты, сети и власть. Мэдисон, Висконсин: Издательство Висконсинского университета; 2006. [Google Scholar]
• Кнорр-Цетина Карин. Эпистемические культуры: как науки создают знания. Кембридж: Издательство Гарвардского университета; 1999. [Google Scholar]
• Колер Роберт Э. Повелители мух: генетика дрозофилы и экспериментальная жизнь. Чикаго: Чикагский университет: Press; 1994. [Google Scholar]
• Кумар Кришан. От постиндустриального к постмодернистскому обществу: новые теории современного мира. Оксфорд: Блэквелл; 1995. [Google Scholar]
• Ква Чунлин. Представления о посредничестве природы между экологией и научной политикой: пример Международной биологической программы. Социальные исследования науки. 1987; 17: 413–442. [Google Scholar]
• Ламбрайт Генри В. Сокращение большой науки: стратегический выбор. Обзор государственного управления. 1998;58:259–268. [Google Scholar]
• Латур Бруно. Наука в действии: как следовать за учеными и инженерами через общество. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета; 1987. [Google Scholar]
• Ленуар Тимоти, Хейс Роберт М. Манхэттенский проект биомедицины. В: Слоан Филип Р., редактор. Управление нашими судьбами. Саут-Бенд, Индиана: Издательство Университета Нотр-Дам; 2000. С. 19–46. [Google Scholar]
• Маккей Алан. Дерек Джон де Солла Прайс: благодарность. Социальные исследования науки. 1984;14:315–320. [PubMed] [Google Scholar]
• Магнер Лоис Н. История наук о жизни. Нью-Йорк: Деккер; 1994. [Google Scholar]
• Редакция Nature. Постгеномные культуры. Природа. 2001; 409:545. [PubMed] [Google Scholar]
• Нильсен Вальдемар. Большие фонды. Нью-Йорк: Колумбия Пресс; 1972. [Google Scholar]
• Новотны Хельга, Скотт Питер, Гиббонс Майкл. Переосмысление науки: знания и общественность в эпоху неопределенности. Кембридж: Политика; 2001. [Google Академия]
• Пеллиццони Луиджи, Илонен Марья. Неолиберализм и технонаука: критические оценки. Фарнхэм: Ашгейт; 2012. [Google Scholar]
• Перкель Джеффри М. Запуск лаборатории. Ученый. 2006; 20:75. [Google Scholar]
• де Солла Прайс Дерек Дж. Маленькая наука, большая наука. Нью-Йорк: издательство Колумбийского университета; 1963. [Google Scholar]
• де Солла Прайс Дерек Дж. Маленькая наука, большая наука… и не только. Нью-Йорк: издательство Колумбийского университета; 1986. [Google Академия]
• Пьюзи Мерло Джон. Большое правительство: можем ли мы его контролировать? Нью-Йорк/Лондон: Harper & Bros.; 1945. [Google Scholar]
• Рехштайнер Мартин. Проект генома человека: две точки зрения. Журнал ФАСЭБ. 1990; 4: 2941–2942. [PubMed] [Google Scholar]
• Ремингтон Джон А. За пределами большой науки в Америке: обязательные исследования. Социальные исследования науки. 1988; 18:45–72. [Google Scholar]
• Рип Арье. Мода в научной политике. В: ван дер Меулен Баренд, Disco Corneliis., редакторы. Объединение новых технологий: исследования по созданию социотехнического порядка. Берлин: Вальтер де Грюйтер; 1998. [Google Scholar]
• Робертс Лесли. Спорный с самого начала. Наука. 2001. 291:1182–1188. [PubMed] [Google Scholar]
• Роджерс Дэвид. Управление большими городами; Группы по интересам и стратегии социальных изменений. Беверли-Хиллз, Калифорния: Sage Publications; 1971. [Google Scholar]
• Роуз Николас. Политика самой жизни. Теория, культура и общество. 2001; 18:1–30. [Google Scholar]
• Роуз Николас. Политика самой жизни: биомедицина, власть и субъективность в двадцать первом веке. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета; 2007. [Google Академия]
• Шаффер Даниэль. Нэшвилл: Историческое общество Теннесси; 1998. [последний доступ 31.01.2006]. Элвин Вайнберг, Энциклопедия истории и культуры Теннесси. URL-адрес: http://tennesseeencyclopedia.net/imagegallery.php?EntryID=W038. [Google Scholar]
• Шумахер Эрнст Фридрих. Маленькое прекрасно: экономика, как если бы люди имели значение. Нью-Йорк: Харпер и Роу; 1973. [Google Scholar]
• Зайдель Роберт. Истоки лаборатории Лоуренса в Беркли. В: Питер Галисон, Брюс Хевли, редакторы. Большая наука; Рост крупномасштабных исследований. Стэнфорд: издательство Стэнфордского университета; 1992. стр. 21–45. [Google Scholar]
• Schloegel Джудит Джонс, Рейдер Карен А. Экология, окружающая среда и «большая наука»: аннотированная библиография источников по исследованиям окружающей среды в Аргоннской национальной лаборатории, 1955–1985 гг. Аргоннская национальная лаборатория; 2005. [Google Scholar]
• Шрам Уэсли, Генут Джоэл, Чомпалов Иван. Структуры научного сотрудничества. Кембридж, Массачусетс: MIT Press; 2007. [Google Scholar]
• Слоан Филип Р., редактор. Управление нашими судьбами: исторические, философские, этические и теологические взгляды на проект генома человека. Нотр-Дам, Индиана: Издательство Университета Нотр-Дам; 2000. [Google Академия]
• Штрассер Бруно Дж. Трансформация биологических наук в послевоенной Европе. EMBO и первые дни европейских исследований молекулярной биологии. Отчеты ЕМБО. 2003а; 4: 540–543. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Штрассер Бруно Дж. Кого волнует двойная спираль? Природа. 2003б; 422:803. [PubMed] [Google Scholar]
• Салстон Джон, Ферри Джорджина. Общая тема: история науки, политики, этики и генома человека. Лондон: Бантам Пресс; 2002. [Google Академия]
• Раджан Сандер Кошик. Геномный капитал: общественная культура и рыночная логика корпоративной биотехнологии. Наука как культура. 2003; 12:87–122. [PubMed] [Google Scholar]
• Тамминен Сакари, Вермеулен Ники. Биообъекты и порождающие отношения. Хорватский медицинский журнал. 2012;53:198–200. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Thackray Arnold. Частная наука: биотехнология и рост молекулярных наук. Филадельфия, Пенсильвания: Издательство Пенсильванского университета; 1998. [Google Scholar]
• Томпсон Чарис. Хорошая наука: этическая хореография исследований стволовых клеток. Кембридж, Массачусетс: MIT Press; 2013. [Google Scholar]
• Vermeulen Ники. Сверхразмерная наука: о создании крупномасштабных исследовательских проектов в биологии. Маастрихт: Издательство Маастрихтского университета; 2009. [Google Scholar]
• Vermeulen Ники, Паркер Джон Н., Пендерс Барт. Большой, Маленький или Меццо? Уроки научных исследований для продолжающихся дебатов о «большой» и «малой» науке. Отчеты ЕМБО. 2010; 11: 420–423. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Вермёлен Ники. Выращивание клетки в силиконе: о том, как создание биообъекта меняет организацию науки. В: Vermeulen Niki, Tamminen Sakari, Webster Andrew., редакторы. Биообъекты: жизнь в 21 веке. Олдершот: Ашгейт; 2012. [Google Scholar]
• Vermeulen Niki, Parker John N, Penders Bart. Понимание жизни вместе: краткая история сотрудничества в области биологии. Стараться. 2013; 37: 162–171. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Vermeulen Ники. От вируса к вакцине: проектификация науки в консорциуме VIRGO. В: Пендерс Барт, Вермюлен Ники, Паркер Джон Н., редакторы. Сотрудничество в области медицинских наук и ухода. Олдершот: Ашгейт; 2015. [Google Академия]
• Вахельдер Йозеф. TIN-20: Techniek in Nederland in de twintigste eeuw. Технология и культура. 2005; 46: 187–191. [Google Scholar]
• Уолдби Кэтрин, Митчелл Роберт. Экономика тканей: кровь, органы и клеточные линии в позднем капитализме. Дарем, Северная Каролина: Издательство Университета Дьюка; 2006. [Google Scholar]
• Вайнберг Элвин М. Влияние крупномасштабной науки на Соединенные Штаты. Наука. 1961; 134: 161–164. [PubMed] [Google Scholar]
• Вайнберг Элвин М. Размышления о большой науке. Оксфорд: Пергамон Пресс; 1967. [Google Scholar]
• Вайнберг Элвин М. Первая ядерная эра: жизнь и времена технолога. Нью-Йорк: Американский институт физики; 1994. [Google Scholar]
• Вайнберг Элвин М. Рождение большой биологии. Природа. 1999; 401:738. [PubMed] [Google Scholar]
• Westfall Кэтрин. Переосмысление большой науки: Modest, Mezzo, Grand Science and the Development of Bevalac, 1971–1993. Исида. 2003; 94:30–56. [PubMed] [Google Scholar]
• Вествик Питер Дж. Национальные лаборатории: наука в американской системе, 1947–1974. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета; 2003. [Google Scholar]
• де Уайльд Рейн. De Kenniscultus: Над Nieuwe Vormen van Vooruitgangsgeloof. Маастрихт: Издательство Маастрихтского университета; 2001. [Google Scholar]
• Витгенштейн Людвиг. Философские исследования. Нью-Йорк: Прентис Холл; 1999 [1953]. [Google Scholar]
• Вольтуис Алинда. Kiezen voor аренда. Журнал «Лаборатория». 2006; 42:17–18. [Google Scholar]
• Заллен Дорис Т. Фонд Рокфеллера и спектроскопические исследования: программы в Чикаго и Утрехте. Журнал истории биологии. 1992;25:67–89. [PubMed] [Академия Google]

Век Гена. Молекулярная биология и генетика

Двадцатый век был веком, когда человеческое общество широко использовало технологический прогресс. На протяжении большей части этого века наибольший технологический вклад был сделан из физических наук: автомобили, телефон, самолеты, пластмассы, компьютеры и так далее. Внедрение этих факторов изменило общество и человеческое поведение больше, чем даже политические и социальные события.

Однако во второй половине ХХ века и особенно в последние два десятилетия появились биологические технологии с огромным медицинским и социальным потенциалом. Эта технология предлагает новый взгляд на эволюцию жизни на нашей планете, и ей суждено революционизировать саму структуру человеческого общества.

Возможно, Сидни Бреннер наиболее осознанно прониклась этими идеями. Один из самых блестящих ученых двадцатого века, он останется в истории науки за его огромный вклад в молекулярную биологию, науку, в создании которой он принимал непосредственное участие. Бреннер говорит, что новая биология предлагает нам лучшее понимание самих себя и новое понимание людей как организмов: «…впервые мы можем поставить фундаментальную проблему человека и начать понимать нашу эволюцию, нашу историю, нашу культуру и нашу жизнь». биология в целом».

В данном тексте я расскажу об истории тех научных событий, которые привели к этой ситуации, и вкратце расскажу о последствиях этих новых открытий для будущего общества и даже для нашего собственного понимания человеческой природы.

Поворотные точки в биологических знаниях

За свою историю биология претерпела три основные революции. И здесь мы используем термин «революция» для обозначения появления открытия, которое важно само по себе, но также ведет к радикальному изменению общего подхода, характерного для этой дисциплины до того времени.

Первая революция произошла в 1860 году с эволюционистскими теориями Дарвина и Уоллеса, которые отстаивали универсальность происхождения всех живых существ. Второй революцией стало открытие универсальности механизма биологической информации, предложенного Уотсоном и Криком в 1953 г. Третьей революцией стало открытие универсальности дизайна животных и основных процессов, регулирующих биологические функции. Эта последняя революция произошла в двадцатом веке, между 1985 и 2000. В отличие от предыдущих, это результат вклада относительно большого числа исследователей. Эти три события привели к новому пониманию эволюции и биологии самих людей.

Эволюционный факт

Идея о том, что виды изменяются с течением времени, очень старая и определенно более ранняя, чем предположение Дарвина. В 520 г. до н.э. в трактате «О природе» Анаксимандр Милетский ввел идею эволюции, утверждая, что жизнь зародилась в океанах. В своей книге Historia Plantarum, опубликованной в 1686 году, Джон Рэй каталогизирует 18 600 видов растений и предлагает первое определение видов, основанное на общем происхождении. А собственный дедушка Дарвина, Эразм Дарвин, прямо предположил, что виды животных со временем меняются.

Что отличает Дарвина и Уоллеса от их предшественников, так это то, что они предложили правдоподобный механизм эволюции, основанный на идее естественного отбора. Дарвин, в частности, предположил, что сила естественного отбора заключается в выживании наиболее приспособленных, поскольку их большая способность к выживанию также обеспечивала им большую способность передавать свои характеристики потомству. Благодаря этому процессу характеристики популяций каждого конкретного вида постепенно изменялись в течение последующих поколений.

Дарвин также имел доступ к информации, неизвестной его предшественникам, и эта информация в значительной степени способствовала его пониманию эволюционного феномена. Было известно, например, что Земля намного старше, чем считалось ранее, что давало гораздо больше времени для постепенного изменения, предсказанного теорией естественного отбора. Ко времени Дарвина существовал также очень хорошо каталогизированный список окаменелостей, что позволило убедиться в существовании постепенных изменений во многих линиях животных и растений. Это явно поддерживало предложение Дарвина. Было также известно, что искусственный отбор способен вызвать очень глубокие морфологические изменения за очень короткий промежуток времени. Это становится ясным, если мы рассмотрим, например, огромное разнообразие пород собак, существующих в настоящее время. Все они произошли от волка, но в течение пяти-десяти тысяч лет искусственной, а не естественной эволюции, человеку удалось создать огромное разнообразие собачьих пород. Это указывает на степень универсальности биологического материала при отборе.

Если бы нам нужно было обобщить следствия эволюционной теории, мы бы сосредоточились на трех пунктах: 1) все живые существа имеют общее происхождение; 2) в течение многих миллионов лет происходил процесс постепенных изменений, который привел ко всему биологическому разнообразию на этой планете; и, наконец, 3) человеческий вид — это просто еще один из сотен тысяч существующих или существовавших видов. Предложение Дарвина отражает коперниканский подход к положению человеческого рода как биологической сущности. Человек больше не является центром творения. Вместо этого он просто еще один вид среди миллионов созданных эволюцией. Неудивительно, что во времена Дарвина на это была бурная социальная реакция. Даже сейчас эволюцию принимают не все члены общества. По данным Института Гэллапа, в 2004 году более половины жителей Соединенных Штатов считали, что человек был буквально сотворен, как и сказано в Библии, около 10 000 лет назад.

Генетика и эволюция: рабочее определение гена

Дарвин предложил описательное объяснение биологического разнообразия, которое было правдоподобным, но не механическим. Возникает вопрос: если все живые организмы имеют общее происхождение, какая биологическая функция является общей для всех них, передается от родителей потомству и может быть изменена для создания биологического разнообразия? В свое время Дарвин не смог ответить на эти вопросы. Именно постановка таких вопросов привела к генетике — дисциплине, изучающей, как передается и видоизменяется биологическая информация. Первым доказательством существования наследуемой генетической информации мы обязаны Грегору Менделю, монаху-августинцу, который продемонстрировал, что форма или цвет горошин верно передается от одного поколения к другому.

Но прогресс генетики в двадцатом веке во многом обязан плодовой мушке Drosophila melanogaster, организму, который стал классическим объектом изучения для генетических исследований, потому что он легко размножается в лабораторных условиях, имеет очень короткий биологический цикл (который очень полезен при изучении передачи различных признаков от одного поколения к другому) и совершенно безвреден для человека. Исследования дрозофилы выявили множество конкретных наследуемых признаков (генов), продемонстрировав, что они локализованы и выровнены в клеточных ядрах — в органах, называемых хромосомами, — и что каждый ген расположен в определенном положении в хромосоме.

Они также показали, что наследуемые вариации (мутации) естественным образом появляются в генах и что эти мутации являются источником биологических вариаций, необходимых для эволюционного процесса. Эти мутации также могут быть вызваны искусственно с помощью радиации или химических соединений. Таким образом, генетика дрозофилы открыла, что реальной движущей силой эволюции являются гены, которые составляют наследуемую генетическую информацию и могут быть изменены.

После более чем столетия исследований этой мухи знания о ее генетике являются наиболее полными из всего царства животных, и был разработан ряд концепций и технологий для проведения экспериментов, которые невозможны ни с какими другими видами.

Природа генетической информации

Проблема, возникшая после этого, примерно в 1940-х годах, заключалась в раскрытии физической природы гена. Каков был его химический состав? Решение этой проблемы привело к тому, что я называю второй революцией в биологии: объяснению Уотсоном и Криком природы и структуры генетической информации в виде ДНК. Знаменитая статья, опубликованная в журнале Nature в 1953 году, стала началом биологической революции, которой суждено было изменить сам ход развития человечества. ДНК представляет собой молекулу с двойной спиралью, состоящую из двух больших цепочек молекул сахара (дезокси-рибозы), связанных фосфатами. Соединяют две цепи, как ступеньки лестницы, другие молекулы, называемые азотсодержащими основаниями, которые поддерживают стабильность структуры. Уотсон и Крик сразу заметили, что структура самой молекулы объясняет механизм репликации, приводящий к идентичным молекулам и, таким образом, обеспечивающий достоверную передачу биологической информации из поколения в поколение.

Более того, структура ДНК указывает на то, что биологическая информация заключена в последовательности четырех азотистых оснований, пронизывающих всю молекулу. Эти основания называются тимином (Т), гуанином (G), аденином (А) и цитозином (С). То, что организм наследует от своих предков и что определяет его биологические характеристики, — это просто последовательность, записанная на языке из четырех букв.

Открытие структуры и функции модифицированной ДНК Экспериментальная направленность биологии: все организмы закодированы на языке четырех букв: A, T, C и G. С тех пор биология сосредоточилась на изучении свойств и структуры ДНК. Первая полная последовательность ДНК, полученная для организма, бактериофага ØX174, содержит 5000 букв (называемых основаниями). Для сравнения, последовательность ДНК червя-нематоды состоит из 90 миллионов пар оснований, а последовательность плодовой мушки дрозофилы содержит 120 миллионов пар оснований, в то время как последовательность человека имеет не менее 3300 миллионов пар оснований. Каждая из этих последовательностей представляет своего рода формулу построения рассматриваемого вида.

Универсальный генетический код

Проблема в том, что жизненные процессы катализируются не ДНК, а белками. ДНК — это просто рецепт, который нужно преобразовать во все разнообразие белков — около 3000 основных, — которые контролируют жизненные процессы, включая репликацию и экспрессию самой ДНК.

Белки состоят из комбинаций 20 аминокислот, поэтому каждый белок отличается от других, поскольку состоит из определенной последовательности аминокислот. Следовательно, последовательность из 4 оснований, унаследованная от предшественников, должна быть переведена в последовательность из 20 аминокислот, чтобы получить белки, поддерживающие биологические функции. Расшифровка кода трансляции, генетического кода, была одним из первых больших успехов молекулярной биологии. Лаборатории Очоа, Нюрнберга и Бреннера сыграли решающую роль в расшифровке механизма трансляции. Эти исследователи продемонстрировали, что каждая аминокислота кодируется определенной последовательностью трех оснований (триплетом), что обеспечивает трансляцию каждого гена, представляющего собой определенную последовательность полной ДНК, в определенный белок. Триплет AAG кодирует аминокислоту лизин, тогда как GCA кодирует аланин, а AGA кодирует аргинин. Таким образом, последовательность ДНК AAGGCAAGA будет транслироваться в аминокислотную последовательность лизин-аланин-аргинин (см. фиг.1).

Рисунок 1. Перевод генетического текста.

Генетический код интересен тем, что он универсален для всех организмов. Универсальность этого кода сама по себе является доказательством эволюции. Все организмы имеют одинаковый генетический код просто потому, что мы унаследовали его от предков. В этом контексте ген — это просто конкретная последовательность ДНК, закодированная для определенного белка, который выполняет конкретную функцию, например, гемоглобина, необходимого для дыхания, или миозина для мышц.

Развитие молекулярной биологии

Открытие того, что ДНК является инструкцией по созданию живых существ, и расшифровка основных механизмов генетических функций — генетического кода и производства белков — положило начало молекулярной биологии. Начиная с 1970-х годов изучение ДНК, ее структуры и свойств стало основным направлением этой дисциплины. Такая концентрация усилий привела к чрезвычайно мощным концепциям, позволяющим с большой эффективностью манипулировать ДНК. Это методы, позволяющие клонировать гены, создавать трансгенных животных и растений, возможности генной терапии и проекты «Геном». Появление трансгенных организмов — таких, в которые были вставлены гены другого вида, — происходит из-за того, что вся ДНК, независимо от ее происхождения, химически идентична, а ген — это просто фрагмент ДНК. Это позволяет использовать химические методы для смешивания фрагментов ДНК (генов) различного происхождения. Как только были разработаны методы введения этих фрагментов в организм-получатель, этот организм мог иметь ген другого происхождения. Ярким примером этого являются штаммы дрожжей, в которые был вставлен человеческий ген, кодирующий инсулин. В результате этой процедуры были созданы трансгенные дрожжи, производящие человеческий инсулин.

Большое развитие этих процедур в последние годы сделало возможным создание трансгенных растений (пшеница, соя, рис и другие, уже имеющиеся на рынке) и животных многих видов, включая крыс, мышей, свиней, мух и т.д. на. Важно отметить, что методы, используемые для разных видов животных, очень похожи и составляют основу их терапевтического применения у людей. Цель состоит в том, чтобы использовать генную терапию для лечения генетических заболеваний. В 2000 году журнал Science опубликовал первое испытание генной терапии, в ходе которого несколько детей были излечены от тяжелого иммунодефицита. К сожалению, эти испытания пришлось прервать из-за вредных побочных эффектов. Трое из вылеченных детей позже заболели раком. Этот пример одновременно показывает как потенциал таких новых методов, так и тот факт, что они находятся на очень ранней стадии развития. Учитывая скорость, с которой они развиваются, следует надеяться, что они будут доступны в не столь отдаленном будущем.

Генетический дизайн тел животных

Одной из областей, в которых молекулярная биология значительно продвинулась вперед и нашла широкое применение в биологии человека, является область генетического дизайна тел животных. Первоначально в экспериментах по молекулярной биологии использовались одноклеточные организмы, бактерии или вирусы для изучения свойств и функций ДНК. Эти исследования дали очень важные результаты, как описано выше, но по самой своей природе они не позволяли делать выводы о генетическом контроле развития сложных организмов, таких как муха или мышь, в которых ассоциации клеток должны быть сгруппированы в собственно мода как часть трехмерной структуры.

Рассмотрим, например, бабочку (рис. 2). Каждая отдельная клетка должна выполнять основные биологические функции — синтез белка, репликацию ДНК и т. д., — но она также должна быть способна образовывать группы с другими клетками и дифференцироваться, чтобы формировать определенные органы, такие как глаза, крылья и т. ноги и так далее. Эти органы должны быть собраны с другими органами, чтобы каждый из них появился в нужном месте. Дизайн животных требует, чтобы различные части тела были правильно расположены в трех пространственных измерениях: передне-задняя, ​​спинно-вентральная и проксимально-дистальная оси. Эта проблема устройства тела была одной из самых больших проблем генетики высших организмов: как гены определяют информацию о положении для различных частей тела, чтобы клетки, которые собираются сделать глаз, знали, что они должны сделать это в верхней части тела. часть тела, а те, что составляют ноги, должны быть в брюшной части. Другими словами, каково генетическое описание трехмерного организма? У насекомого, подобного бабочке, мы можем морфологически различить головную часть, грудную часть и брюшную часть, но нет никакой гарантии, что это описание соответствует истинному генетическому описанию организма.

За последние тридцать лет в вопросе генетического описания животных достигнут заметный прогресс. Ключи к его генетическому дизайну находятся в так называемых гомеотических генах, которые теперь называются Hox. Они составляют генетические механизмы, которые были детально изучены на плодовой мушке дрозофилы. Что характерно для этих генов, так это то, что их мутации превращают одни части тела в другие (рис. 3). Мутация, такая как Antennapedia (Antp), например, превращает антенну в ногу, в то время как мутация, такая как Ultrabithorax (Ubx), превращает недоуздок в крыло, создавая муху с четырьмя крыльями. Что интересно в этих преобразованиях, так это то, что, несмотря на то, что общее построение тела ошибочно, морфология частей нормальная: ножка, появляющаяся в антенне Antp, нормальная, только расположение ее аномальное. Точно так же трансформированные крылья, которые появляются у мух Ubx, имеют нормальный размер и форму крыльев. Единственная ненормальность заключается в том, где они появляются. Смысл этих фенотипов в том, что гены Hox контролируют не морфологию структур, а скорее общий дизайн тела, информацию о положении, о которой я упоминал выше, которая гарантирует, что каждый орган появляется на своем надлежащем месте.

Таким образом, гомеотические гены являются генами-регуляторами высокого уровня, которые определяют тип развития различных частей тела дрозофилы. В 1980-х годах возник очень важный вопрос: сколько существует гомеозисных генов? Была надежда, что идентификация всех их позволит прояснить генетическую логику, лежащую в основе строения тела. Исследования, проведенные в США и Испании, показали, что число Hox-генов на удивление мало. Таких генов всего девять у дрозофилы, где они устанавливают пространственные координаты передне-задней оси, распознают позиционное значение по каждой оси и определяют приобретение правильной программы развития для образования каждой части тела. Эти результаты были, безусловно, интересными, но они относились к плодовой мушке. Сначала мы не подозревали, что они могут иметь общее значение для объяснения строения тела других животных, включая человека.

Тем не менее, прогресс молекулярной биологии в семидесятых и восьмидесятых годах сделал возможным молекулярное выделение (клонирование) и секвенирование Hox-генов дрозофилы. К концу 1985 года все эти гены уже были клонированы и секвенированы. При сравнении их последовательностей было сделано чрезвычайно важное открытие: все они имели одну общую последовательность, названную гомеобоксом. Открытие последовательности гомеобокса имело очень важные последствия: 1) эта последовательность кодирует мотив соединения с ДНК, указывая на то, что гомеозисные белки функционируют как факторы транскрипции и регулируют активность других дочерних генов; 2) наличие одинаковой последовательности во всех Hox-генах указывает на то, что эти гены имеют общее происхождение; 3) гомеобоксная последовательность является молекулярным маркером Нох-генов, позволяющим идентифицировать эти гены в организмах (например, в человеческом виде), в которых их невозможно обнаружить с помощью обычных генетических процедур. Как мы увидим ниже, этот последний аспект оказался очень важным.

Универсальный генетический дизайн

Тот факт, что гомеобокс является молекулярным маркером Hox-генов, позволил идентифицировать Hox-комплекс во многих группах животного царства, что сделало эти гены основным предметом биологических исследований в 1980-х и начало девяностых. Общий результат состоит в том, что комплекс Нох был обнаружен во всех группах животных, в которых его искали. Таким образом, это универсальная характеристика генома всех животных, включая человека. У людей есть Hox-комплекс, который очень похож на комплекс дрозофилы, за исключением того, что вместо одной копии в каждом геноме у нас их четыре.

Исследования на дрозофилах ранее установили, что функция этих генов заключается в определении развития различных частей тела, но не было доказательств их функции у других организмов. Трудность изучения этого аспекта состоит в том, что генетические анализы, проводимые на дрозофиле, невозможны

у многих позвоночных и совершенно невозможны у человека. Поэтому пришлось использовать другие методы.

Молекулярные технологии, разработанные в 1980-х и 90-х годах, позволили создать особей — в данном случае плодовых мушек Drosophila, — которым можно было вставить ген другого вида, чтобы изучить его функцию в этой чужеродной системе. Различные эксперименты такого рода позволили сделать вывод, что Hox-гены человека и других позвоночных работают идентичным или сходным образом с таковыми у дрозофилы. Консервация функций такова, что гены человека или мыши способны заменять свои аналоги у дрозофилы. Это случай мышиного гена Hoxd13. Вставленный в муху, он так же способен программировать развитие задней части дрозофилы, как и собственный ген мухи. Другими очень яркими примерами являются, например, гены бескрылых и безглазых дрозофил, которые имеют известные аналоги у человека. Apterous необходим для образования крыльев, а его мутации производят особей без крыльев. Eyeless нужен для программирования развития глаза, а особи, у которых этот ген мутировал, глаз не имеют.

Когда мутантная бескрылая муха получает человеческий ген, она способна формировать крылья мухи. Таким образом, хотя у человека нет маховых крыльев, у нас есть ген, способный заменить ген дрозофилы, который программирует формирование маховых крыльев благодаря механизму функциональной консервации. В том же смысле мышиный ген, гомологичный гену безглазых, называемый small eye, способен индуцировать появление глаз у мух (рис. 4). Подобные эксперименты с генами других организмов привели к выводу, что генетический дизайн глаз одинаков у всех животных, будь то мухи, осьминоги или люди. Эволюционное изобретение светоприемного органа, связанного с мозгом, произошло около 540 миллионов лет назад и было унаследовано всеми многоклеточными организмами. Эти эксперименты иллюстрируют общий принцип феномена эволюции: когда появляется адекватно работающий механизм, генетическое программирование этого механизма остается фиксированным в геноме и с тех пор остается неизменным или с небольшими изменениями.

Общий вывод из всего вышеизложенного заключается в том, что общий механизм генетического дизайна животных, основанный на генах Hox и их производных, является общим для всего царства животных.

Взрыв в кембрийскую эру, то есть внезапное появление билатералей с органами, расположенными по всем трем пространственным осям, почти наверняка является результатом появления комплекса Hox и его производных в нижнем кембрии. Сходство последовательностей среди этих генов указывает на то, что они происходят от предкового гена, который подвергался различным дупликациям в тандеме, таким образом создавая набор связанных генов, составляющих этот комплекс. Таким образом, мы можем утверждать, что все живые существа обладают одними и теми же основными биологическими функциями. В совокупности эти исследования породили объединяющий взгляд на биологические процессы, основанный, в конечном счете, на эволюционном процессе. Как предположили Дарвин и Уоллес, организмы имеют общее происхождение, общий механизм хранения и высвобождения генетической информации, основанный на универсальности функций ДНК, РНК и механизма генетического кода. Наконец, все представители животного мира разделяют один и тот же генетический процесс строения тела.

Важным следствием этих наблюдений является то, что многие аспекты устройства человеческого тела можно изучать на модельных организмах, таких как мухи, черви или мыши. Понятно, что генетическая/молекулярная основа этих процессов является общей для всех видов, и, следовательно, многие из задействованных процессов будут такими же. Типичный пример такого подхода можно найти в исследованиях регенерации, проводимых на амфибиях и курах. Давно известно, что амфибии и рептилии способны регенерировать конечности, а птицы и млекопитающие — нет. Проводимые исследования позволяют идентифицировать гены, связанные с регенеративным процессом, некоторые из которых также присутствуют у видов, которые не регенерируют. Похоже, что способность регенерировать орган зависит не столько от наличия или отсутствия одного или нескольких генов, сколько от механизма, который регулирует общие гены. Регенерирующие виды способны активировать эти гены после физической травмы, а нерегенерирующие — нет. Хорошо обоснованным предположением является то, что когда процесс, который регулирует эти гены, будет понят, можно будет вмешиваться в контроль его функционирования, чтобы искусственно вызвать регенеративный процесс у видов, подобных человеческому, который не может делать это естественным образом.

Геномные проекты

То, что было изложено выше, само по себе является доказательством всего феномена эволюции, так как ясно показывает функциональную универсальность биологических явлений. Более того, новая молекулярная технология предложила нам более прямую демонстрацию этой универсальности. В последние годы завершены полные последовательности ДНК (геномные проекты) для многих видов животных и растений, что позволяет напрямую сравнивать степени сходства или различия в биологической информации разных видов.

В этом контексте особенно важны геномы нематоды Caenorabditis elegans, которые содержат ДНК с 90 миллионами пар оснований; мухи дрозофилы со 120 миллионами пар оснований; и человеческого вида с 3 300 миллионами пар оснований. В проекте «Геном человека» (рис. 5) использовалась ДНК пяти человек (трех женщин и двух мужчин) из четырех разных этнических групп (латиноамериканцев, азиатов, афроамериканцев и европеоидов). Интересно отметить, что существенных различий между ними выявлено не было. Этим проектам удалось идентифицировать все гены каждого вида, определить их последовательность и накопить эту информацию в базах данных. Наряду с разработкой очень сложного программного обеспечения и мощных компьютеров это позволило сравнивать важные последовательности. Это сравнение дало много интересных результатов, одним из наиболее важных из которых (рис. 6) является открытие того, что человеческий вид имеет примерно 50% общих генов с генами нематоды Caenorabditis elegans и около 60% с плодовой мухой Drosophila. Это наблюдение является полезным напоминанием о нашем биологическом происхождении, которое мы разделяем с остальными животными. Естественно, это отражено в ДНК, которая является общей эволюционной записью, связывающей всех нас.

Рисунок 6 . Сравнение некоторых важных геномов.

Изучение болезней человека на модельных организмах

Высокая степень генетического сходства между упомянутыми видами и фактически во всем царстве животных не только подтверждает существование явления эволюции; это также имеет большое значение для изучения биологии и патологии человека. Поскольку у нас так много общих генов с такими организмами, как дрозофила, многие аспекты биологии и болезней человека можно изучать на мухах без экспериментальных и этических ограничений, накладываемых человеческим материалом. Философия, лежащая в основе этого, заключается в том, что большая часть знаний, полученных при работе с дрозофилой, также применима к нам. Как мы видели выше, изучение Hox-генов мух проливает очень важный свет на функцию тех же самых генов у нашего собственного вида.

Что касается патологических процессов, последние оценки показывают, что 75 процентов генов, связанных с болезнями человека, присутствуют у дрозофилы. Это делает его чрезвычайно важным источником информации для базовых знаний о болезнях человека. В настоящее время многочисленные лаборатории по всему миру используют дрозофилу как организм для изучения таких патологий, как рак, болезнь Альцгеймера, атаксия и так далее. Одним из примеров такого подхода являются эксперименты, направленные на индукцию молекулярного синдрома Альцгеймера у дрозофилы. Отложения белка, амилоида (Aß), в нейронах характерны для этого заболевания. Патологическая форма содержит 42 аминокислоты вместо 40 и образует агрегаты, называемые амилоидными бляшками. Технология дрозофилы позволяет вызывать это заболевание в глазах и мозге мухи и изучать его эволюцию. Можно произвести сотни особей и протестировать большое количество возможных лекарств или соединений, препятствующих развитию болезни. Эти опыты позволили идентифицировать препарат (конго красный), который значительно смягчает действие этой болезни у мух. Хотя препарат токсичен для человека и не может быть использован для лечения болезни, он ясно указывает на потенциал этого типа технологий. Эксперименты такого рода уже выявили различные препараты, направленные на лечение рака и других дегенеративных процессов.

Можно ли изменить продолжительность человеческой жизни?

Чрезвычайно высокая степень сохранности фундаментальных биологических явлений во всем животном мире позволяет размышлять о возможности манипулирования процессами, еще совсем недавно считавшимися недоступными для вмешательства человека. Одной из фундаментальных парадигм человеческого общества и культуры является представление о том, что старение и смерть являются неизбежными биологическими процессами. Предполагается, что существует внутреннее программирование, устанавливающее максимальную продолжительность жизни представителей каждого вида в относительно узком диапазоне.

В двадцатом веке средняя продолжительность жизни человека значительно увеличилась, главным образом благодаря улучшению условий жизни, гигиены и прогресса медицины. Тем не менее, предполагаемая максимальная продолжительность жизни составляет около 120-125 лет. Можно ли превысить этот предел? Этому вопросу уделялось значительное внимание в международных научных журналах (Nature 458, 2008, 1065-1071), главным образом из-за недавних открытий, непосредственно связанных с генетическим программированием продолжительности жизни.

Фундаментальным фактом является то, что как у червя-нематоды Caenorhabditis elegans, так и у мухи-дрозофилы были идентифицированы различные гены, функция которых напрямую связана с программой старения этих видов. Учитывая легкость, с которой этими организмами можно генетически манипулировать, стало возможным существенно продлить жизнь особей этих видов. В случае с нематодами продолжительность жизни удалось увеличить в шесть или даже в семь раз. Если бы это было экстраполировано на человеческий вид, то средняя продолжительность жизни человека составила бы около 350 лет, а некоторые люди прожили бы более полутысячелетия.

В этих открытиях важно то, что гены старения, идентифицированные у червей-нематод и дрозофил, также присутствуют у человека. Наиболее изученный из этих генов, названный DAF-16 у червей и FOXO у дрозофилы и человека, связан с инсулиновым путем, и некоторые из вариантных форм FOXO, по-видимому, особенно часто встречаются у людей старше ста лет. Мутации человеческого вида, влияющие на активность инсулинового пути, также были обнаружены у лиц старше ста лет. Был клонирован DAF-16/FOXO и созданы генетически модифицированные черви, у которых изменения уровней функций этого гена приводят к изменениям, удваивающим продолжительность жизни этих червей. Тот факт, что такие результаты могут быть получены путем изменения всего одного гена, иллюстрирует потенциал таких методов. Как мы упоминали выше, этот ген присутствует у нашего собственного вида, что предполагает возможность того, что его манипуляции могут быть использованы для изменения продолжительности жизни людей.

Будущая эволюция человеческого вида: технологический человек

В заключение я хотел бы кратко остановиться на эволюции жизни на нашей планете и жизни человечества. Жизнь на нашей планете зародилась примерно от 2000 до 3000 миллионов лет назад. Двулатеральные животные, животные, которые существуют сегодня, появились около 540 миллионов лет назад. Примерно от 100 000 до 200 000 лет назад дарвиновский отбор привел к тому, что человеческий вид, наряду со многими миллионами других, выжил или вымер. Однако интеллектуальное и технологическое развитие нашего вида сделало его особенно невосприимчивым к процессу естественного отбора. В результате обычные законы эволюции практически не влияют на нас в наши дни.

Человеческая цивилизация зародилась около 10 000 лет назад, а технологическое развитие — около 200 лет назад. Технологии ДНК около 25 лет. Эта технология развивалась чрезвычайно быстро, что привело к очень мощным методам манипуляции. Короче говоря, проводник эволюции, ДНК, модифицируется непосредственно человеческим вмешательством. Эти методы, хотя и очень грубые, используются на экспериментальных животных — мухах, мышах, червях и т. д. — большое генетическое сходство которых с нами указывает на то, что недалек тот день, когда их можно будет применить к человеческому роду. Эти методы обладают огромным потенциалом, особенно если учесть, что они появились всего двадцать пять лет назад. Невозможно представить, чего они смогут добиться еще через пятьдесят лет, не говоря уже о 500 или 5000. Человеческий вид сможет генетически модифицировать себя контролируемым образом. Эта перспектива предлагает огромные возможности для определения нашего собственного биологического будущего и эволюции. Технология ДНК предлагает новую социальную парадигму и сможет полностью изменить саму сущность человека.

Подготовка биологов к 21 веку | БиоНаука

Фильтр поиска панели навигации

BioScienceThis issueEnvironmentScience and MathematicsBooksJournalsOxford Academic
Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации

BioScienceThis issueEnvironmentScience and MathematicsBooksJournalsOxford Academic
Термин поиска на микросайте

Расширенный поиск

Журнальная статья

М. Патрисия Морс

М. Патрисия Морс

Ищите другие работы этого автора на:

Оксфордский академический

Google ученый

Примечания автора

BioScience , том 53, выпуск 1, январь 2003 г., стр. 9, https://doi.org/10.1641/0006-3568(2003)053[0010:PBFTC]2.0.CO;2

Опубликовано:

01 января 2003 г.

Фильтр поиска панели навигации

BioScienceThis issueEnvironmentScience and MathematicsBooksJournalsOxford Academic
Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации

BioScienceThis issueEnvironmentScience and MathematicsBooksJournalsOxford Academic
Термин поиска на микросайте

Расширенный поиск

Биологические исследования идут полным ходом: за последние 50 лет мы открыли основные связи между всеми живыми существами благодаря нашему растущему пониманию структуры ДНК, и ученые приступили к картированию геномов людей. и другие организмы. Эта работа открыла широкие возможности для новых поколений исследователей, чтобы они могли задавать вопросы по всей биологии, от клеточных функций до экологических взаимодействий. Применение этих знаний, особенно в областях, связанных со здоровьем и окружающей средой, привлекло внимание широкой аудитории. Растущие базы данных, микроскопические изображения человеческого мозга, высокоскоростные видеозаписи движений организмов и каталоги биоразнообразия организмов мира доступны как студентам, так и исследователям — до 9 лет.0211 любой с доступом к компьютеру через коммуникационную технологию Интернета.

Тем временем в исследованиях в области образования накапливаются данные об эффективных способах преподавания биологии для глубокого понимания и обучения на протяжении всей жизни. Мы знаем, что учащиеся приходят в наши классы с неверными представлениями о природе науки и других идеях, занимающих центральное место в изучении биологии (см. How People Learn , отчет Национального исследовательского совета [NRC], на сайте www. nap.edu/books). /030