Реале Дж., Антисери Д. Западная философия от истоков до наших дней. От романтизма до наших дней.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЧАСТЬ ПЯТНАДЦАТАЯ
РАЗВИТИЕ НАУКИ И ЭПИСТЕМОЛОГИИ В XX ВЕКЕ

Для тех, кто ищет истину, не существует человеческого авторитета. Каждый, кто вообразит себя обладателем ее, будет осмеян богами.
Альберт Эйнштейн

Науке свойственны ошибки, поскольку она создана человеком.
Карл Поппер

С точки зрения эпистемологии, миф о физических объектах выше других в том смысле, что показал свою эффективность в качестве средства сооружения простой конструкции, учитывающей влияние опыта.
Уиллард ван Орман Куайн

Искусства в неменьшей степени, чем науки, серьезно влияют на процесс открытия, расширения познания в широком спектре прогрессирующего понимания.
Генри Нелсон Гудмен

Проницательные философы согласны с выбором Лессинга в пользу бесконечного приближения к истине вопреки «тотальности истины».
Ричард Рорти

Глава тридцать седьмая
Логика, математика, физика и биология в XX веке

1. РАЗВИТИЕ ЛОГИКИ И МАТЕМАТИКИ В XX ВЕКЕ

1.1. Поиск оснований и открытие антиномий теории множеств

Программа концептуальной ригоризации основных математических понятий, как мы уже знаем, наметилась еще в прошлом веке. Вейерштрасс и его школа подготовили так называемую «арифметизацию» анализа, т.е. редукцию математики как теории «действительных чисел» к арифметическим понятиям математики как теории целых позитивных (натуральных и рациональных) чисел. Еще раньше геометрия была приведена к анализу (посредством операций аналитической геометрии), а арифметика стала «естественной базой» всего здания математики. Редукцию математики к арифметике завершил Пеано в 1899 г. Система Пеано состояла из пяти аксиом, составленных с помощью примитивных терминов: число, ноль, непосредственно выводимый.

Аксиомы таковы: 1) ноль — это число; 2) из числа непосредственно следует число; 3) ноль непосредственно не следует ни из какого числа; 4) из различных чисел следуют разные непосредственно выводимые числа; 5) любое свойство, которым обладает ноль, принадлежит всем числам, если из его справедливости для одного числа следует справедливость этого свойства для числа, непосредственно следующего за ним (это принцип математической индукции).

Одновременно с Пеано Фреге и Кантор попытались редуцировать арифметику и понятие натурального числа к логическому понятию класса, тем более что логика классов кажется более адекватной для поиска оснований математики. Как можно дать определение числа в терминах класса, показывает следующий пример. Даны два класса А и В, и каждому элементу класса А соответствует элемент класса В, и наоборот. Это значит, что оба класса имеют равную мощность, или кардинальное число. Используя чисто механические операции, мы устанавливаем бинарные соответствия элементов двух классов, и даже не умея считать, можем узнать, имеют ли классы одно и то же количество элементов.

646

На этом основании можно повторить вслед за Б. Расселом, что «математически число есть не что иное, как совокупность равно-мощных классов» («Принципы математики», 1903). Кантор установил иерархию бесконечных множеств, открыв, среди прочего, что множество натуральных чисел имеет ту же мощность, что и множество рациональных чисел. Вопреки интуиции оказалось, что между 0 и 1 есть бесконечно много действительных чисел, и это множество по мощности больше множеств натуральных чисел.

Значит, математика и логика тождественны, вся чистая математика переводима в логические термины бесконечно малых. Грандиозную реконструкцию математики на основании логики провели Б. Рассел и А. Уайтхед в трехтомной работе «Principia mathematical (1910—1913). Однако арифметическое обоснование Фреге оказалось внутренне противоречивым. Рассел стремился реализовать намерение Фреге сконструировать всю математику на основе логики. Однако в 1901 и 1902 гг. Рассел спровоцировал кризис в логике классов и тем самым нанес удар по основным положениям арифметики, которые Фреге осуществил именно с помощью логики классов. Это произошло вследствие обнаружения антиномии, показавшей, как определенное утверждение, правомерное с точки зрения арифметики у Фреге, является тем не менее противоречивым. Вот в общих чертах антиномия Рассела.

Положим, что множество, не содержащее себя как элемент, есть нормальное множество (все вместе книги на столе не есть книга). Даже если все обычные множества нормальны, нельзя исключить, что существует множество ненормальное. Например, множество всех множеств — тоже множество, хотя и ненормальное. Образуем множество из всех нормальных множеств (М) и спросим: нормально ли оно? Предположим, что М содержит само себя как элемент. Значит, оно нормально, и как нормальное множество не может быть частью себя самого. Тогда предположим, что М не содержит само себя. Тогда оно по определению нормально, но вместе со всеми нормальными множествами это множество должно включать в себя М как элемент. Значит, М должно иметь в качестве элемента себя само. И в одном и в другом случае — противоречие.

Рассел придумал юмористический пересказ этого парадокса: «Деревенский брадобрей бреет всех, кто не бреется сам». Известен античный вариант этой антиномии: «Критянин Эпименид говорит, что все критяне — лжецы». Рассел послал письмо Фреге, где изложил суть антиномии. Фреге попытался найти выход из положения, однако безуспешно. Так, утратив веру в ценность проделанной работы, он провел последние годы жизни.

647

Рассел, со своей стороны, полагал, что языковая небрежность является истинной причиной возникновения антиномий. Будучи платоником, он верил в существование особого мира математических сущностей. В приложении к «Principia mathematica» он изложил теорию типов с предписаниями лингвистического характера для избежания апорий.

Рассел предложил разделить наши предикаты на три типа Предикаты типа 0 суть имена индивидов. Предикаты 1 — свойства (классы) индивидов. Предикаты 2 суть классы классов индивидов и т.д. Правило для избежания антиномий: предикат типа X может быть приписан только субъекту типа X. Как бы то ни было, но многие попытки аксиоматизации теорий множеств оставляли эту и другие важные проблемы нерешенными.

1.2. Программа Гильберта и теоремы Гёдсля

Фреге, Пеано и Рассел, подобно Платону, верили в объективность мира математических соотношений, открываемых, а не изобретаемых учеными. Давид Гильберт, основатель формалистической школы, говорил, что математический объект существует, когда он определен непротиворечивым образом. Поэтому проблема доказательства сводится к построению непротиворечивости математической теории (т.е. к построению аксиоматической модели). И это становится центральной проблемой. В «Основаниях геометрит (1899) Гильберт попытался аксиоматизировать Евклидову геометрию. Все же нельзя сказать, что проблема была окончательно им решена. Никто не мог гарантировать непротиворечивость Евклидовой геометрии.

Обнаруженные антиномии, кризис интуитивной очевидности аксиом, логицистские трудности, практичный, но не окончательный характер непротиворечивых теорий — все это подвигло Гильберта на создание программы, в рамках которой доказательство неотносительно, а «прямо» и «абсолютно» для аксиоматической системы. Поскольку классическая математика сводилась к трем большим аксиоматическим системам — арифметике, анализу и множествам, то естественно, что Гильберт начал с доказательства непротиворечивости арифметики, чтобы затем перейти к анализу и теории множеств. После Фреге был неизбежен скрупулезный анализ всех ингредиентов, лингвистических и логических механизмов развития теории. Все это ведет к полной формализации теории.

648

Необходимо заметить, что формализация теории не означает ее символизацию. Формализовать теорию означает раздробить язык, введя в качестве правил формализации правила манипуляции принятыми формулами. Теория принимает форму чистого исчисления, где нет никаких ассоциаций с символами и их выражениями. А если все так, то непротиворечивость теории можно отождествить с невозможностью прохождения всей демонстративной цепочки. Утверждение при этом совпадет с отрицанием, что будет противоречием. Следовательно, полная аксиоматизация теории ведет к формализации и такой логике, назначение которой — конструировать эту теорию.

Так какими же средствами мог Гильберт провести критический анализ логики в своей метаматике, если не с помощью той же логики? Разве это не порочный круг? И не к той же ли очевидности и интуиции прибег он для доказательства непротиворечивости? Гильберт пытался обосновать процедуры финитистскими методами, частично арифметическими. Финитистские методы сводятся к элементарным и интуитивным процедурам комбинаторного типа, используемым для конечного числа объектов и определяемых функций. Интуиция возвращена как средство обоснования математики, которая, как оказалось, всего лишь упрощает элементарные операции любого теоретическою исследования.

Идеи Гильберта приняли многие талантливые математики, среди которых П. Бернайс (P. Bernays, 1888—1977), Дж. Гербрандт (J. Неrbrandt, 1908—1931), В. Аккерман (W. Ackermann, 1898—1962), Дж. фон Нейман (J. Neumann, 1903—1957). Однако в 1931 г. Курт Гёдель (1906—1978) показал, что желаемую полноту аксиоматической теории чисел получить невозможно. Более того, формула логического исчисления, способного формализовать элементарную арифметику, недоказуема как формула, выражающая ее последовательность. Таким образом, непротиворечивости нельзя достичь, используя инструменты, принадлежащие к той же формальной системе. Это было настоящее поражение программы Гильберта. Гёдель показал невозможность чисто синтаксического доказательства непротиворечивости формальной системы. Гарантию такой логической последовательности теперь стали искать в интерпретациях и моделях исчисления.

1.3. Семантика Тарского и интуиционизм Брауэра

Альфред Тарский (1902—1984) в работе «Понятие истины в формализованных языках» (1934) разработал теорию моделей. Уточняя понятие истины и семантического (а не синтаксического) понятия логического следствия, Тарский занялся отношениями между формализованными языками и множеством объектов. Логическая семантика после открытий Гёделя стала центральной.

649

Если исчисление согласуется с моделью, то оно последовательно. Это доказательство семантического типа.

Нельзя не сказать несколько слов об интуиционизме в математике нашего столетия. Если Фреге и Рассел считали математические объекты объективно существующими, а Гильберт существующими считал только правильно определенные объекты, то голландец Лёйтзен Эгберт Ян Брауэр (1881—1966) полагал математический объект существующим только в случае, если удается его сконструировать или указать процедуру построения похожего объекта. Эта интуиционистская концепция запрещает возвращение к актуально бесконечному. Если и говорится о бесконечном, то о потенционально бесконечном, и никогда не об актуально данном. С другой стороны, если существование математического объекта означает его реализованную конструкцию, то этот тип доказательства известный «закон исключенного третьего» не принимает. Практика показывает, что если математические объекты проходят интуитивный контроль, то опасности антиномий удается избежать. Казалось, что интуиционизм отказывается от большей части классической математики. В сегодняшней математике интуиционизм образует одно из интереснейших и плодотворных течений.

2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ В XX ВЕКЕ

2.1. Общие вопросы

Развитие физики в XIX веке закончилось крахом механистической программы исследования. Нынешняя физика, отказавшаяся от линейных моделей, характеризуется фундаментальным программным дуализмом. Первая программа возникла в первые десятилетия нашего столетия — релятивистская программа Эйнштейна. А в конце прошлого века с открытием явления радиации возникли квантовая теория и соответствующая исследовательская программа. Эти программы хотя и пересекаются, все же относятся к разным уровням наблюдения. Обе отталкиваются от классической физики в вопросе рассмотрения физических величин в пределах нашего повседневного опыта. Только квантовая теория необходима для изучения феноменов на микроскопическом уровне (атомы, ядерные и субъядерные феномены), а теорию относительности интересуют астрономические скорости и расстояния. Два этих направления поначалу развивались независимо друг от друга. Исследование ядра и его составляющих продвигалось вместе с квантовой теорией.

650

2.2. Эйнштейн и теория относительности

На рубеже двух веков предпринята не одна попытка преодолеть разрыв теорий Максвелла и Ньютона. Последняя принадлежит А. Пуанкаре на основе классического принципа относительности Лоренца. Идея эфира в ней сохранена, как и законы движущихся относительно друг друга прямолинейным и равномерным образом систем. Работы Лоренца и Максвелла появились в конце XIX— начале XX веков.

Однако в 1905 г. А. Эйнштейн (1879—1955) опубликовал историческую статью «К электродинамике движущихся сред», где были сформулированы принципы частной теории относительности. «Явления в электродинамике, — писал он, — так же, как и в механике, не обладают свойствами, относящимися к идее абсолютного покоя... законы электродинамики и оптики распространяются на все системы отсчета, включая механические». Эйнштейн предложил в качестве постулата другой тезис, согласно которому «свет распространяется в пустом пространстве с определенной скоростью, которая не зависит от движения испускающего свет тела». Первый постулат элиминирует эфир, второй видимым образом ему противоречит. Однако Эйнштейн переосмысливает традиционные понятия пространства и времени. Конграст с привычным опытом демонстрируют следующие теоремы:

— длина тела, находящегося в движении, больше длины покоящегося тела;
— два одновременных по отношению к наблюдателю явления могут быть неодновременными один по отношению к другому;
— длина стержня связана с направлением его движения: масса тела увеличивается с увеличением скорости.

Наконец, знаменитая формула Е = тс2 связала массу с энергией. Все эти выводы были подкреплены множеством экспериментов. Переход от классической механики к частной теории относительности был назван Куном научной революцией, ибо произошла глобальная смена основания теории. Только через одиннадцать лет Эйнштейн предложил более обобщенную, чем прежняя, теорию. Законы физики не меняются в любой системе отсчета, даже в системе, движущейся с ускорением, если учитываются гравитационные эффекты, — такова суть общей теории относительности. Эйнштейн констатирует, что масса тела остается постоянной, если она измерена согласно общему закону гравитации (второму закону динамики: инерционная масса равна гравитационной массе).

651

Отсюда следует возможность соотнесения любого эффекта ускорения с соответствующими гравитационными полями, что меняет геометрическую структуру пространства. Получается, что любая физическая проблема решается, в конечном счете, через изучение геометрических свойств пространства. Общая теория относительности включает в себя как элемент частную теорию относительности, сохраняя все ее выводы и присоединяя к ним новые, вытекающие из новых экспериментальных данных. Среди последних — точные траектории движения планет, искривление светового луча в гравитационном поле и смещение спектральных линий в зоне света, испускаемого звездами большой массы. Так был открыт путь развития «нормальной» науки со все более мощной разработкой математического аппарата, с одной стороны, и, с другой — с проверкой теоретических конструкций экспериментальными данными, что всегда давало позитивный результат. Из новейших экспериментов на эту тему наиболее интересными представляются те, что связаны с изучением гравитационных волн космического происхождения.

2.3. Квантовая теория

Другой путь исследований — изучение взаимодействия материи и радиации. Термин «квант» связывают с именем М. Планка (1858—1947). Это проблема «черного тела» (абстрактное математическое понятие для обозначения объекта, аккумулирующего всю энергию и превращающего ее в тепло). Функция, выражающая энергию абсолютно «черного тела», изменяющего температуру, оказалась несовместимой с термодинамикой, а значит, и классической механикой.

Решение Планка состояло в гипотезе, что энергия выделяется и аккумулируется материей не в форме непрерывной радиации, а только множеством порций определенного количества, пропорционального частоте радиации v и некой постоянной h (постоянная Планка). Количество hv названо «квантом энергии», а постоянная h — «квантом действия». Интересно с концептуальной точки зрения то, что Планк (как и Эйнштейн) не пытался согласовать свое открытие с экспериментальной очевидностью. Именно Эйнштейн дал первое обоснование теории Планка Он предположил, что любая радиация квантуется. Частицу, соответствующую радиации с частотой v, имеющую энергию hv и количество движения h v/с, назвали фотоном. Так фотоэлектронный эффект был вписан в общую теорию и ею подтвержден.

652

В 1923 г. решена аналогичная проблема относительно испускания электронами гамма-лучей (эффект Комптона). Изучение структуры атома начато Томсоном (1856—1940) в 1897 г. с открытия электрона, заряд которого был определен в 1911 г. Р. Милликеном (1868—1953). Были предложены две различные модели. Согласно первой (Пер-рен), атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны (1901). Согласно второй (Кельвин), в положительно заряженном атоме электроны находятся в условиях равновесия (1902). Мы перед лицом двух соперничающих теорий — ядерной и неядерной. Первая теория победила благодаря историческому эксперименту Резерфор-да (1871—1937) с пучком частиц (ядер гелия) и тончайшей золотой пластинкой.

Ситуацию с электронами попытался прояснить Н. Бор (1885— 1962). Он предположил, что электроны вращаются по круговым орбитам, рассчитываемым согласно законам энергетического квантования, и атомы принимают и испускают энергию с помощью электронов, прыгающих с одной орбиты на другую. Эта модель была усовершенствована Зоммерфельдом (1868—1951).

Первые подтверждения и частичные фальсификации были получены из спектроскопии. Однако опыты Штерна и Герлаха укрепили теорию Бора. Ясно, что эти идеи не могут не контрастировать с идеями Максвелла для макроскопических явлений. Но сам Н. Бор в 1916 г. во избежание потенциального противоречия предложил считать теорию Максвелла статическим описанием поведения большого числа элементарных компонентов. Это первая формулировка «принципа соответствия», ключевого для понимания и применения квантовой теории. Ситуация не слишком отличалась от характерной для прошлого века попытки преодолеть разрыв между макроскопической термодинамикой и микроскопической классической механикой.

В 1924 г. Луи де Бройль предположил, что каждой электромагнитной волне соответствует частица, и наоборот, любой частице с массой покоя т0 и скоростью v соответствует волна длиной Х = h/m (0). Так было положено начало волновой механике. Основываясь на все более широкой экспериментальной базе, Бор предложил рассматривать каждый феномен в двух аспектах — корпускулярном и волновом, считая оба истинными и взаимодополняющими. Принцип дополнительности был сформулирован В. Гейзенбергом (1901— 1976), установившим точные пределы возможно одновременного определения величин, относящихся к двум дополнительным аспектам. Из принципа дополнительности следовало, например, что нельзя одновременно и точно определить импульс и координаты частицы. Волновая механика была систематизирована Шрёдингером (1887-1961) и М. Борном (1882-1960).

653

В книге «Логика научного открытия» Поппер, характеризуя этот тип концепций, заметил, что он накладывает принципиальные ограничения на возможности научного познания (подобно пределу, налагаемому скоростью света). Стало очевидным, что движение вперед теперь невозможно, если не поставить задачу выхода за пределы достигнутых рубежей. Для физической теории настал период «нормальной» науки, хотя скорее с двумя парадигмами, чем с одной.

3. БИОЛОГИЯ ПОСЛЕ ДАРВИНА

3.1. Неодарвинизм: Вейсман и де Фриз

От Дарвина мы узнали, что: 1) виды не неизменны, ибо они эволюционируют, давая постепенно начало различным видам; 2) основной механизм эволюции видов — естественный отбор. Среда провоцирует индивидуальные различия, делая ненужными индивиды с неблагоприятными признаками, поощряя более жизнеспособные особи, побеждающие в «борьбе за существование». Ясно, что отбор эффективен, если индивидуальные различия подлежат передаче и наследованию. В противном случае теория Дарвина вряд ли возникла бы. Однако если особи одного вида различны, то возникает два вопроса: 1) Каковы причины индивидуальных различий? 2) Если различия наследуются, то как они передаются?

Дарвин объяснял механизм наследования приобретенных свойств воздействием среды. Ламарк, как известно, видел внутреннюю тенденцию к совершенствованию. Последнюю точку зрения защищал швейцарец Карл Вильгельм фон Нёгели (1817—1891) своей теорией ортогенеза (разновидность греческого понятия энтелехии), в разговоре о психохимическом аналоге инерционной механической силы.

Немецкий зоолог Август Вейсман (1834—1914), представитель неодарвинизма, отверг идею наследуемости приобретенных свойств. В подтверждение своей концепции он отрезал хвосты у новорожденных мышей нескольких поколений. Затем рождались новые мышата с обычными хвостами, вопреки теории наследования приобретенных черт. Эти и другие опыты подтвердили гипотезу, что не среда на самом деле, а внутренние органические факторы ответственны за наследственную информацию. В «Очерке о наследственности и связанных с ней биологических вопросах» (1892) Вейсман отделил понятие гермоплазмы, ответственной за наследование, от понятия телесной плазмы. Гермоплазма — наиболее ответственная часть организма, она определяет формы и характеристики телесной плазмы. Тело находится на службе гермоплазмы, делая ее способной к репродукции. В этом причина того, почему некоторые соматические мутации не наследуются.

654

Вейсман, отталкиваясь от сложных аргументов, попытался объяснить источник изменчивости. Половое размножение, по его мнению, объединяет два генотипа. Это явление как источник изменчивости было названо амфимиксисом. (Позднее генетика воспримет теорию Вейсмана в том ее разделе, который касается комбинации популяционных генов в момент оплодотворения.)

Голландский ботаник Гуго де Фриз (1848—1935) провел наблюдения над декоративным растением Oenothera lamarckiana. Помимо «нормальных» особей, он обнаружил популяцию особей, сильно отличающуюся от нормальных как высотой (от карликовых до гигантов), так и формой листьев. Де Фриз получил «странные» растения с отклонениями, которые, как оказалось, передаются по наследству. Эволюционная теория получила подтверждение: вид репродуцирует не только нормальные особи, но и, очевидным образом, ненормальные (от 1 до 2%). Эти вариации де Фриз назвал мутациями.

Дарвин связывал отбор с минимальными изменениями. Де Фриз внес коррективы: эволюция не лишена скачков. Любой вид способен на определенном этапе к мутациям, особи могут заметно отдаляться друг от друга и от нормы. Отбор воздействует на этот мутационный материал, и особи эволюционируют по-разному в несхожих средах. Вклад де Фриза в науку можно охарактеризовать двумя тезисами: 1) вариативность (изменчивость) не зависит от среды; 2) отбор действует на внешние изменения, или мутации, способствуя появлению новых черт.

Тем не менее эволюционная теория, хотя и обогащенная идеями Вейсмана и де Фриза, должна была вернуться к нерешенным проблемам: как возникают изменения? Каким образом они репродуцируются? Ответ на эти вопросы в начале нашего столетия дала новая наука — генетика.

3.2. Открытие хромосом и новое открытие законов Менделя

Генетика, занятая механизмами биологического наследования, возникла внутри эволюционной теории. Известно, что уже в 1866 г. Мендель сформулировал фундаментальные законы генетики. Он передал результаты своих исследований Нёгели, который не осознал всей их важности. Мендель скрестил и искусственно вырастил высокую и низкую культуры зеленого сладкого горошка, получив семена только высоких растений. Соотношение выхода высоких к низким растениям, полученным из этих семян, составило 3 к 1%.

655

Из низких растений далее получились только низкие особи. Из полученных высоких растений 25% от их общего числа производили только высоких потомков, а из остальных 75% — 50% высоких и 25% низких особей. Это первый закон Менделя — закон сегрегации. Если скрещивать растения или животных, различающихся более чем парой признаков, можно получить всевозможные комбинации. Второй закон Менделя — закон независимости наследования.

В конце XIX—начале XX веков о законах Менделя вновь вспомнили. Немец Вальтер Флемминг (1843—1945) при помощи хроматины (окрашивающего состава) обнаружил внутри клеточного ядра нитеобразные хромосомы. Ему удалось пронаблюдать процесс деления клетки (митоз), когда каждая хромосома производит свою копию. Флемминг опубликовал полученные результаты в 1882 г. Эти цитологические исследования продолжил бельгиец Эдвард ван Бенеден (1846—1910). Он доказал постоянство набора хромосом у каждого вида животных и растений: 46 (23 пары) хромосом у человека, 20 (10 пар) — у кукурузы, 12 (6 пар) — у мухи, 8 (4 пары) — у дрозофилы (муха — герой генетики). Каждая пара хромосом состоит из материнской и отцовской хромосомы. Бенеден, кроме того, обнаружил, что в формировании половых клеток (яйцеклетки и сперматозоида) разделению хромосом не предшествует их удвоение. Если бы этот процесс (мейоз) не происходил, то каждый новой индивид, начинающийся с объединения двух клеток, должен был бы иметь двойной набор хромосом.

Когда были открыты эти хромосомные процессы, законы Менделя и все предыдущие догадки предстали в удивительно разумной гармонии. Американец Уолтер Сеттон (1876—1916) заметил, что хромосомы выглядят как наследственные факторы Менделя. У каждой клетки есть фиксированное число пар хромосом, и у каждой есть способность передавать наследственные признаки от одной клетки к другой. Новый организм образуется от слияния яйцевой материнской клетки и сперматозоида с отцовским набором хромосом. Эти сочетания хромосом дают возможность каждому поколению усилить некоторые рецессивные черты и ослабить доминантные. Все новые комбинации приводят к изменениям свойств, используемым затем в процессе естественного отбора.

3.3. Гены внутри хромосом

Между 1910-м и 1920 гг. американский зоолог Томас Морган (1866—1945) показал, что внутри клеточного ядра упорядочены гены. В виде большой молекулы полинуклеотида эти частицы несут наследственную информацию. Репродуцируя себя, они сохраняют собственную индивидуальность и независимость от других генов, а значит, и способность к самым различным комбинациям.

656

Морган провел серию опытов с drosophila melanogaster, насекомым, обладающим только четырьмя парами хромосом и имеющим период созревания от яйца до взрослого состояния 12 дней. Опыты показали, что признаки, наследуемые вместе, иногда все же разделяются. Морган объяснил это тем, что хромосома содержит гены, т.е. разделена на определенные характерные фрагменты, что позволяет ей затем обменяться с похожим фрагментом другой хромосомы.

В 1927 г. Герман Йозеф Мюллер, ученик Моргана, сделал сенсационное открытие. Бомбардируя гамма-лучами гаметы (сперматозоиды и яйца животных, зернышки цветочной пыльцы и семяпочки растений), он получил огромное число мутаций. Суть открытия состояла в том, что был указан путь исследования гена.

К началу Второй мировой войны генетика установила: 1. Гены отвечают за наследственные черты; 2. Гены находятся в линейном порядке в хромосоме; 3. По числу и качеству для каждого вида хромосомный набор — величина постоянная; 4. Несмотря на постоянство, эти структуры способны к изменениям; 5. Изменения, или мутации, разделяются по трем категориям: генные (переход от одного гена к аллельному состоянию), хромосомные (структурные вариации внутри одной хромосомы) и геномные (вариации с числом хромосом).

Следующей сенсацией стало открытие генетического кода — еще одно блестящее достижение человеческого разума в познании развития жизни. Если эволюционная теория помогла понять историю жизни, то не менее важно было понять сам источник жизни. Старый спор: жизнь исходит от материи или же «все живое изначально живо»? Рождается ли организм (например, бактерия) спонтанным образом? Правда, открытие фильтрабильного вируса (ultra virus) представляется серьезным шагом к абиогенезу.

Как бы то ни было, но с вирусами-паразитами нет пока оснований связывать источник жизни. В 1950-х гг. Г. Юри и С. Миллер показали формирование органических комплексов — аминокислот (основа молекул протеинов — базовых элементов протоплазмы). Через смесь воды, водорода, метана и аммиака Миллер пропускал электрический разряд высокой частоты. В результате он получил сложные молекулы аминокислот. И хотя эксперимент недостаточен, чтобы понять проблему зарождения жизни, он приоткрывает завесу над этой тайной.

3.4. Генетический код

Долгое время наследственные механизмы были предметом внимания генетиков, но природа молекул, переносящих информацию от одного индивида к другому, оставалась неведомой. Была известна

657

роль макромолекул протеина и нуклеиновых кислот в этом процессе. Однако только в 1944 г. сотрудником Нью-Йоркского института Рокфеллера Эйвери (О. Т. Avery, 1877—1955) были получены результаты, показавшие, что эту роль выполняют молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. Было известно ранее, что ядра клеток животных, содержащих хромосомы (и, стало быть, гены), особенно богаты нуклеиновыми кислотами, в частности ДНК. Последние представляют собой полимеры, образованные из остатков фосфорной кислоты, сахара (дезоксирибоза) с азотистого основания, т.е. аденина, гуанина, цитозина и тимина.

В начале пятидесятых годов вслед за Полингом, который раскрыл структуру протеина, спиралевидной (геликоидальной) макромолекулы, образованной из различных комбинаций 20 аминокислот, удалось понять молекулу ДНК как образованную из комбинаций 4 различных нуклеотидов. Каждый нуклеотид образован из остатков фосфорной кислоты, одной молекулы дезоксирибозы и одного из четырех азотистых оснований.

Были проведены химические и кристаллографические исследования, результаты которых обобщил Э. Чаргафф (Е. Chargaff, p. 1905), показавший комплементарность остатков тимина и адеина и остатков цитозина и гуанина в пробах различных ДНК. Идея структурировать молекулярные компоненты ДНК в форме двойной спирали с комплементарными взаимодействиями в азотистых основаниях взаимодополнительным образом — аденин-тимин, цитозин-гуанин — разработана кембриджскими учеными Ф. Криком (F. Crick) и Дж. Уотсоном (J. Watson). Диффракцию х-лучей, необходимых для верификации модели, установил М. Уилкинс (М. Wilkins).

Модель двойной спирали состоит из двух полинуклеотидных цепей, структурные реквизиты которых — азотистые основания и водородные связи между ними. Эта их природа подтверждает процесс дублирования, т.е. формирования двух двойных спиралей, начиная с одной, внутри которой отделяются две нити. В ДНК имеет место так называемая полуконсервативная репликация (повтор): каждое ответвление ДНК дает начало новой двойной спирали. Это подтвердили Мезельсон (Meselson) и Шталь (Stahl).

Помимо ДНК есть другой тип нуклеиновой кислоты — рибонуклеиновая, или РНК, содержащаяся, главным образом, в клеточной цитоплазме. Структура РНК имеет одну нить, но активность РНК имеет решающий характер, ибо вместе с ДНК она образует молекулярную основу механизма генетической передачи. Раздел биологии, изучающий поведение молекул ДНК и РНК в процессе передачи генетической информации, называется молекулярной биологией.

658

В 1941 г. Дж. У. Бидл (G. W. Beadle) и Э. Л. Тейтем (Е. L. Tatum) исследовали формирование энзимов (ферментов). Поскольку эти протеины обладали тоже двойными спиралями и содержали азот, то вскоре выяснилась и последовательность аминокислот протеина. Проблема заключалась в том, как из алфавита с 4 буквами можно образовать группу, содержащую 20 букв. Комбинируя 4 основания (2x2), они получили 16 комбинаций, а умножая 3x3, получили 64 комбинации, более чем достаточные для кодирования триплет — 21 аминокислоты протеина Так триплет азотистых оснований кодирует аминокислоту.

В 1955 г. удалось синтезировать РНК С. Очоа (S.Ochoa), в 1956 г. А. Корнберг (A. Kornberg) искусственным путем получил ДНК. Еще через 5 лет Ф. Жакоб (F. Jacob) и Ж. Моно (J. Monod) доказали, что РНК является передатчиком. Макромолекула РНК синтезируется на ДНК (процесс транскрипции) и соединяется в рибосомы, субклеточные частицы цитоплазмы, где и происходит белковый синтез. Передатчик РНК есть своего рода пленка с записью трехчленного кода последовательности аминокислот. Эту «пленку» считывает рибосома, создающая протеин в последовательности, указанной молекулой РНК.

В 1960-х гг. М. У. Ниренберг (М. W. Nirenberg) и Дж. Маттеи (J. N. Matthei) синтезировали молекулу РНК на одной основе урацила. Они получили процесс формирования полипептида, состоящего из одной аминокислоты — полифенилаланина на основе трехчленного урацил-урацил-урацила. Это открытие позволило найти ключ к генетическому коду почти так же, как Розеттский камень помог расшифровать египетские иероглифы. Ниренберг, Крик, Корана и другие выяснили значение всех 64 триплетов, образующих генетический код. Процесс передачи генетической информации от ДНК к РНК называется транскрипцией, а энзим (РНК-полимероза) катализирует синтез передатчика (РНК) по образцу ДНК. Синтез полипептидной цепочки, конкретизирующий информацию, поступающую из ДНК, называется процессом перевода, трансляции.

В целом цепочку белкового синтеза кратко можно представить следующим образом:

ДНК транскрипция РНК трансляция полипептид (белок).

Репликация ДНК и транскрипция РНК-передатчика возможны в силу соединения стереоспепифическим образом азотистых оснований: аденин «признает» тимин, а цитозин «признает» гуанин. Процесс трансляции происходит посредством соединительных векторов — молекул Т-РНК. Последние задерживаются на рибосоме и «прочитывают» передаваемый генетический код. Аминокислотная цепочка синтезируется на рибосоме с энзиматическим механизмом, необходимым для прочтения записанной информации в РНК.

659

Открытие генетического кода позволило внятно объяснить и описать феномены репродукции, наследования, вариаций и мутаций. Оказалось, что на этом универсальном языке «говорят» все организмы — от вирусов и бактерий до животных и человека. Это стало важнейшим этапом в изучении феномена жизни и ее удивительно разумной основы.