Тысячу раз прав Маркс, говоривший, что наука совершенствуется только тогда, когда ей удается пользоваться математикой. Современные методы математической статистики облегчают биологу его работу. Точная статистическая обработка данных эксперимента может облегчить и ускорить продвижение вперед даже в такой «медленной» сфере биологии, как селекция. Академику А. Сапегину, одному из творцов вариационной статистики, работавшему на Украине в 20–30-е годы, удалось благодаря использованию математических методов сократить сроки выведения новых сортов. Что касается сортов Сапегина, то они были широко известны в свое время (да и теперь тоже) и послужили материалом для выведения новейших форм растений селекционерам следующих поколений. Вот его пшеницы — «одесская 4», «степнячка», «земка», «кооператорка». Эти названия знает каждый агроном.
Приведем пример, показывающий, как чисто математический подход к решению биологической задачи лишний раз подтверждает выводы, полученные учеными на живом объекте.
Человеческий глаз — сложнейший оптический прибор. Он воспринимает зрительную информацию 140 миллионами колбочек, преобразуя ее в единое целое. Глаз как система давно интересует не только биологов, но и физиков. Академик П. П. Лазарев, анализируя чувствительность глаза, заметил, что в возрастном снижении зрения наблюдается некая математическая закономерность. Лазарев вычислил скорость падения зрения в возрасте от 60 до 80 лет. Графическая кривая, вычерченная им и продолженная до нуля, показала, что «запас» человеческого зрения рассчитан на 120–150 лет. Таким образом, математическая формула подтвердила вывод, сделанный ранее биологами, подсчитавшими, что естественная продолжительность человеческой жизни должна составлять примерно полтора века.
Молекула ведет радиопередачу
Изучение структуры живых молекул было бы невозможно, если бы биологи не получили на вооружение такие тонкие и точные методы исследования, как рентгеноструктурный анализ, ультразвук, спектроскопия.
Один из новейших инструментов исследования в биологии — метод магнитного резонанса. Он помогает исследовать строение молекул, жидкостей, кристаллов, структуру полимеров и биологических объектов.
Когда биология вышла на молекулярный уровень, ей потребовался ключ, с помощью которого можно было бы отворить двери в молекулу и проникнуть внутрь. Таким ключом и стал электронный парамагнитный резонанс. ЭПР был открыт советским ученым Е. Завойским в 1944 году. А сегодня можно без преувеличения сказать, что магнитно-резонансные исследования составляют добрую половину всех работ, ведомых физиками и физико-химиками мира.
Любая органическая молекула — очень сложный для познания объект. Она состоит иной раз из тысяч частиц. А ее особенности зависят иной раз от наличия одного лишь атома. Вспомним кобаламин, витамин B12. На всю молекулу, иной раз на всю клетку — один атом кобальта. Но как обнаружить его в этой сложной системе? Чтобы представить себе сложность задачи, заглянем еще раз в живую клетку. Клетка печени вмещает до 200 000 000 000 000 молекул. Подавляющее большинство их — молекулы воды. Белковых молекул только (!) 50 000 000 000. Если допустить, что свойствами ферментов обладает только одна из тысячи молекул, то и тогда наберется 50 миллиардов ферментных частиц. И среди многочисленного населения этого микромира — всего одна молекула кобаламина. Как найти ее в этом хаосе? Не зная точного адреса, это так же трудно сделать, как в России искать человека по фамилии Иванов, зная только, что он блондин. Вот если бы у него была своя миниатюрная радиостанция, по которой он посылал бы в эфир свои позывные!..
Такая радиостанция есть у молекулы и у всех атомных частиц. Протон, нейтрон, электрон обладают разными электрическими и магнитными свойствами. Правда, магнитные моменты частиц хаотически направлены во все стороны. Но ученые научились наводить в этом движении порядок. Если весь этот хаос поместить в магнитное поле, то нестройный «шум», который издают частицы, превратится в четкую систему сигналов. Атомы элементов периодической системы состоят из различного числа частиц. У каждого элемента — свой голос, ибо свойства ядер атомов разных элементов индивидуальны. Мы не спутаем в эфире позывные Москвы с позывными Лондона или Варшавы. Так и в наведенном магнитном поле. Там звучат разные позывные, по которым мы узнаем, с кем имеем дело в эфире. Сигналы, передаваемые радиостанцией молекулы, записываются «на пленку». Зеленый карандаш электронного луча рисует их на экране осциллографа — прибора для записи электронных колебаний.
Экспериментаторы внимательно изучают эти сигналы. Молекула… Атом… Свободный радикал…
Электронный парамагнитный резонанс открывает головокружительные возможности для исследования биофизических и биохимических процессов. Уже первый поиск, произведенный с помощью ключа ЭПР, показал, что во всех тканях содержатся свободные радикалы. Жизнь их в клетке длится иной раз тысячные доли секунды, но в эти микромгновения и решается иной раз судьба того или иного процесса. С помощью ЭПР в ряде ферментных реакций были обнаружены радикалы, помогающие понять ход биохимических реакций в живом.
Мы знаем, например, что ионизирующее излучение нарушает обычное течение жизни. Оно расстраивает обмен веществ, вызывает лучевую болезнь, стимулирует развитие рака, вторгается в механизм наследственности. При радиационном облучении в живых тканях возникает много свободных радикалов. Изучить их природу — значит понять многое в характере нарушения молекулярной структуры биологических объектов. Понять и наметить пути защиты против радиации.
Другой пример. Курение — вредно. Это знают все. Но почему именно? Никотин? Отчасти. Папиросный дым обладает токсичностью благодаря свободным радикалам. Когда «замороженная» струя табачного дыма была исследована методом ЭПР, в ней было обнаружено много свободных радикалов высокой активности. Они-то и приносят вред организму.
Средства и методы электроники позволяют с достаточной точностью установить и другие закономерности живого. Тончайшие детали, ускользавшие прежде из поля зрения исследователя, стали достоянием экспериментатора. Стало возможным наблюдать и измерять чрезвычайно малые измерения энергии в клетке. Электроника позволяет изучать очень быстро и очень медленно текущие процессы.
Новые возможности открывает телевизионный микроскоп. У его электронного собрата при всех достоинствах есть один существенный недостаток. В электронном микроскопе мы видим уже мертвую клетку, мертвый орган. Электронный луч убивает живое. А ведь именно жизнь — главный объект нашего изучения. Остановив ее, мы выхватываем для себя какие-то отдельные ее моменты, уже застывшие на экране микроскопа. А значит, что-то упускаем.
Телевизионный микроскоп позволяет подсмотреть некоторые процессы жизни. Контрастность и яркость изображения в этом приборе можно регулировать электрическим путем. Поэтому отпадает необходимость окрашивать объект исследования. Окрашивание тоже нарушает нормальную жизнедеятельность препаратов, искажая в какой-то мере данные наблюдений.
Телемикроскоп хорош еще и тем, что за его экраном могут наблюдать сразу несколько исследователей. И у каждого свой взгляд, свое понимание процесса. Один обмен мнениями на ходу, не прерывая опыта, может дать больше, чем десять наблюдений порознь.
Автоматика и биология
Электроника создает предпосылки для автоматизации биологического анализа. Преимущества ее очевидны. Разумеется, увеличится скорость проведения анализа. Разумеется, автомат облегчит утомительный труд лаборанта и экспериментатора. Главное: автомат обеспечит высокую, ранее недоступную точность. Вполне вероятно, что повышение точности анализа позволит открыть такие явления и закономерности в организмах, которые имеют место в действительности, но пока ускользают из-под взора наблюдателя из-за погрешностей и неточностей анализа.
Биологу нужны автоматы, которые следили бы за процессами, происходящими в суспензиях живых культур, которые создавали бы в них определенные условия. Чтобы составить объективно верную картину течения микробиологического процесса, нужно проанализировать характерные его показатели на протяжении всего экспериментального или технологического цикла. Нужно параллельно следить сразу за несколькими параметрами — температурой, концентрацией водородных ионов, кислотно-восстановительным потенциалом среды и т. п. Такую работу точнее и аккуратнее выполняют, конечно, автоматы.
На IV съезде Венгерского микробиологического общества был продемонстрирован подобный прибор. Он регулирует ферментационный процесс. Прибор позволяет вести сразу несколько наблюдений: производить оценку РП (редокс-потенциала), соотношения углерода — азота, подсчитывать расход кислорода с точностью до 0,1 процента, количество ростовых факторов и витаминов с точностью до 0,5 процента и определять температуру.
