「シンデレラ」は、プリンセス、または科学の階層における生物学の場所になる

「シンデレラ」は、プリンセス、または科学の階層における生物学の場所になる

Alexander Alexandrovich Yarilin、
医学博士、ロシア連邦科学技術センター細胞免疫学部所長 – ロシア連邦医療生物学研究所免疫学研究所
"生態と人生"№12,2008

近年、自然科学のなかではほとんど外来であったとされていた生物学が、リーダーとなり、より多くの人々の注目を集めています。最も印象的なのは、この変換のスピードです。当然、その原因について疑問が生じます。この記事では、これに関するいくつかの考えを述べています。

生物学の特徴

生物学 – 生命と生物の科学 – は、伝統的に自然科学の複合体に属し、通常、物理学と化学の最も重要なものの一つと考えられています。しかし、この三つ組の最も表面的な比較でさえ、生物学のいくつかの特徴は、それを多くの自然科学分野と区別して、自分自身に注意を引く。

ホーム – 他の自然科学で研究されている不活性の性質と比較して、研究対象 – 生き物の性質 – の驚異的な複雑さ。さらに、生命の性質を理解することは、無生物の性質の予備的な理解を暗黙的ではあるが明白な状態として示唆している。もちろん、この文は、無生物の法則が最初に完全に明らかにされなければならないという意味で理解されるべきではありません。そして、あなたは人生の研究に向けることができます。むしろ、医学の類推は適切です。実際、病気を治癒するための生きた生物への介入には、重要な活動の基礎となる法律の理解と、病気の性質に関する知識が必要です。しかし、もしこの原則が文字通り行なわれれば、一種の活動としての医学は現時点では現れていないであろう。実際、生物学の発達の後ろに医学が丁重な距離をおいているのと同じように、物理学と化学の後にある一定の間隔で生物学が発展しています。物理学と化学に関する生物学のこの「二次的な性質」は、より一般的な法則に基づいて(しかし、自動的にそれに従うのではなく)、生きた自然の法則の知識と理解の範囲内で現れるだけでなく、生物学の方法論的基礎は、この科学のツールは、物理学と化学の子孫である技術から来ています。彼らが生物学に顕微鏡の作成、分析化学の方法の開発などを与えたことを思い出してください。

生物学のもう一つの重要な特徴は、その存在(生物学者)が、生き物であるということは、同時にその対象であることであるということです。これにより、生物学は他の自然科学と比較して付加的な魅力をもたらし、常にその生物学に対する公的関心を保証する役割を果たす。

さらに、生物学は医学の基盤であり、生物学の応用分野であり、資金調達の重要なインセンティブであり、生物学研究の構造に大きな影響を及ぼし、主に医学に最も関連する分野の開発に好都合である。

したがって、研究対象の信じられないほどの複雑さのために、生物学の進歩は、これらの科学の方法と内容に基づいて、物理学と化学に従うと主張することができます。それと同時に、生きているもの – 人間 – 生物学は、自分の知識の源泉としてだけでなく、日々の生活の中でますます重要な役割を果たす日々の医学やその他の応用生物学の基礎として、特別な魅力を持っています。

生物学的二元論

伝統的な生物学の二重性は、その方向性の「肉体遺伝学的」と「生理学的および代謝的」との共存において最も明確に現れる。

自然科学の発展は、事実の観察と蓄積から始まり、その後、これらの事実とそれらの間の相互関係の理論的理解と実験的分析が行われていると考えられます。例えば、物理学は物質の存在の一般的な法則の研究から、特定の対象(宇宙、地球など)の研究をむしろ早期に分離し、天文学、宇宙学、地質学などのより個人的な科学にもかかわらず、それは違っていた。これまでのところ、一般的な生物学には、植物学、動物学、微生物学、人間科学の複合体(医学を含む応用分野を含む)があります。さらに、一般的な生物学はわずか半世紀前に、独立した、同等の生物学の分野として確立されています。この点に関して、生物学に関する非常に最近の学校の教科書は全く存在しなかったことを覚えておく価値がある。その代わりに、植物学、動物学、解剖学および人間生理学の教科書、共通の生物学的教授としてのダーウィニズムの「基本」。このすべては、一方では、生物学の研究の目的の特定の複雑さと多様性の表現であり、他方では、この科学の未熟さの兆しとして見ることができます。

歴史ツアー

生物学の歴史を簡単に見直して、生物学の最も一般的な傾向を明らかにする(これ以上の議論のために必要である)。

明らかに、生きている物体の科学的研究に対する最初の体系的な魅力は、明確な医学的指向を持った人間の解剖学であった。古代、中世とルネッサンスで成功したことは、この分野の研究をほとんど疲弊させました。最初の生理学者(循環器系を研究した)の書物のルネッサンスでは、人体は「働いた」。人体の機能をより深く理解するためには、より深い化学知識が必要であり、19世紀に生化学と代謝理論が生まれました。顕微鏡の細胞内だけではっきりとしたものは、生きている生物の基礎とみなされ始めました。臓器の巨視的観察からの強調は、組織の構造の顕微鏡分析に移った。19世紀の終わりに、生理学的機能、恒常性の調節、および中枢神経系の教義に関するアイデアが形成され、生理学の冠となった。

すでに指摘したように、生物学におけるこの方向は医学を中心としたものであり、人間の生理学的研究の可能性は極めて限られていたため、人体の過程を研究するためには実験動物が関与しなければならなかった。その結果、得られた知識は、狭義に医療だけでなく、一般的な生物学(異なる種の代表にまで広げられた)の解釈によっても獲得された。類似の作業および同様の科学的施設に基づいて、植物の生理および生化学も同様の方法で発達した。生物学のこの枝は、生理学的および代謝性として指定することができる。

当初から、生物学における別の方向は、一般的な生物学的法律の研究に焦点を当てていました。ここでの出発点は、同じ記述的アプローチでした。この経路の最初の基本的な一般化は、比較解剖学に関連している。それに基づいて、生命の団結と生物間の親密さという考えが形成され、それは17世紀に生まれた生物学的分類学の基礎を形成した。

次のステップは、進化論を作り出すことでした。進化論は、農業における動物や植物の人工繁殖の実践的活動によって大きく促進されました。進化のプロセスの基礎としての自然選択の理論のチャールズ・ダーウィンによる開発とほぼ同時に、G.メンデルは遺伝の目立つ性質を確立した。準備された細胞学的(細胞)基盤のおかげで、遺伝学の急速な発展(遺伝の染色体理論、生物多様性の源としての変異の研究、選択のための材料の供給など)が続いた。 20世紀前半の遺伝学は、理由なしに形式的と呼ばれていました。遺伝的および進化的過程の本質を理解するためには、遺伝単位の生化学的性質および選択の対象はその段階では重要ではありませんでした。我々は、この生物学の枝を、目立つ遺伝性と呼んでいる。

2つの生物学?

2つの分岐の根底にあるアプローチが著しく異なることは容易に分かります。最初は、これは初期の興味、仕事、概念の違いに起因していましたが、方法論的アプローチに広がり、最終的に2つのスタイルの科学的思考を形成しました。これらの「2つの生物学」の支持者の見解の違いは非常に深刻で、彼らは基本的な質問に異なって答えた – 人生の基礎は何か。

血統 – 遺伝的傾向の支持者の位置は、N.V.によって定式化された(未だにはあまり明確ではないが)短時間であった。 Timofeev-Resovskiy: "人生の基礎は偶発的な重複です。"変化を繰り返すことによって、彼は生物学的物体(最終的には染色体、遺伝子、DNA)の倍増を初期状態からの可能性のある偏差で理解した。

生理学的および代謝的傾向のフォロワーは、生命の基礎を代謝とみなし、その停止は不可逆的であり、死を意味する。

人生の性質についての両者の理解が公平であることに同意しないことは不可能ですが、異なるレベルで位置づけられています。生物学的・代謝的理解は遺伝形質の表現型徴候の登録に基づいているのに対し、人工的遺伝的理解は主に遺伝、すなわち自己複製のプロセスおよび生物の多様性の原因に関係している。

生物学のこの生物学は、20世紀の中頃まで、その領域の合成をもたらす事象が起こった時まで存続した。生物学の前例のない進歩の基礎となったのはこの合成であり、それが自然科学の主導的立場に至ったのです。

「2つの生物学」の合成と分子生物学の誕生

1962年のノーベル生理学・医学賞は、1953年に出版されたDNAの構造を解読したJ. Watson、F. Creek、M. Wilkinsに与えられました。実際、この賞は2つの異なる作品に授与されました。 M.ウィルキンスとR.フランクリンは、DNA結晶のX線構造解析(科学の合成の典型的な例:化学構造を研究するために使用された物理学の方法と原理 – 生物学にとって重要な高分子)を行った。 J. WatsonとF. Crickは、DNAの構造に関する理論的な一般化を行い、この分子の基本的な性質を遺伝のキャリアとして説明することができました。以前、生化学者であるE. Chargaff(後に、その新しいスタイルとイデオロギーで「新しい生物学」の熱烈な反対者となった)は、DNAアデニン(A)の窒素塩基の含量がチミン含量(T)に等しく、グアニンC);したがって、これらの塩基はA – TとC – Gの対を形成する(Chargaff則)。これはDNAモデルのWatson and Crick構築にとって重要な事実であった。このモデルの本質は、DNAが二重らせんであり、それを形成する糸が特定のヌクレオチド間の水素結合により相互に相補的(言い換えれば、相互に相補的)であることである – ちょうどChargaffの規則によると、このモデルは、遺伝子のキャリアとしてのDNAの役割を明らかにしました。これは一連のヌクレオチドによってコードされています(コードの考え方はG. Gamowによってすぐに策定されました)。

この一般化(すぐに一般的に認識されるようになった)に続いて、これらの概念を開発し、伝統的な生化学的概念の文脈でそれらを「埋め込み」た集中的な研究が行われた。重要なマイルストーンは、DNAからRNAへの(そしてタンパク質からタンパク質への)生物学的情報の指向的伝達の研究であった。情報を核酸からタンパク質に伝達するときにコードを解読するステップと、 DNA、RNAおよびタンパク質の合成を触媒する酵素、ならびにこれらのプロセスが起こる細胞内構造の発見。 DNA複製からタンパク質合成までの一連の事象の連鎖は、細胞外で再現することができました。

今日は明らかですDNAの二重らせん構造が発見されたことで、科学的に重要な最も重要な結果が急速に広がってしまった。それは必然的に以前に分離された互換性のない生物学の枝の合成につながった。これらの遺伝子は「生化学的肉」を獲得しており、生化学的プロセスの形で表現することができます。原理的には、遺伝的プロセスの生化学的基礎が明らかになり、生理学的パターンが分子レベルで実証されている。最初に遺伝学の理論に影響を及ぼす分子の再考は、素早く細胞生理学の基礎の解析に、そしてその後の生物の解析に広がった。ヒューリスティックおよび概念的に重要であると主張するあらゆる研究には、分子、好ましくは分子遺伝学的強化が含まれるべきである。

このようにして、新しい科学分子生物学が生まれ、その助けの下で、生物学の小細胞遺伝学的および生理学的代謝学的方向の合成が起こった。

生物革命の果実

生命の理解の革命に加えて、これらの結果は、実験的生物学の可能性を大幅に強化した新しい方法論の創造につながった。効果的な方法論的アプローチの1つは、遺伝子や細胞のレベルでの生物学的オブジェクトのクローニングでした(科学的分析のための生物のクローニングについて話すのは時期尚早です)。分子と細胞の分離の以前の既存の方法と比較して、クローニングは、面倒さ、時間および材料コストの低減、ならびに効率の顕著な増加に関連して、大きな利点を与えている。シークエンシング法は大幅に改善され、核酸の研究に特に成功したことが判明した巨大分子の組成物中のモノマーの配列を決定した。分子生物学および細胞生物学の新しい知識に基づいて、伝統的な化学合成と速度および効率において比類のないマトリックスタンパク質生合成の方法が開発された。最後に、遺伝子を操作する方法を開発することができました。細胞を切断して細胞に組み込み、その活性を選択的に制御するなど、分子生物学の枠組みの中で驚くほど速く開発された方法はすべて遺伝子工学の基礎となりましたDNAの構造を解読した後のちょうど四半世紀の20世紀 – 二重らせんの発見。遺伝的およびより広い分子工学の技術は、科学的研究に集中的に使用され、その証拠力が大幅に向上しました。それらは、日常的な実験室での実施にも導入されている(例えば、ポリメラーゼ連鎖反応 1 1980年代以来、それは組織の適合性などを決定するための医療診断において広く使用されてきた。これらの方法論的アプローチは、本質的にバイオテクノロジーに革命をもたらした。

正確な科学

もともと正確な科学であった物理学および化学とは異なり、生物学はその部分のほんの一部(例えば遺伝学)のみが正確さを主張していた。これは、通常、(特に生理学的および代謝的な方向の中で)研究者は、結果の異なる解釈を可能にする方法を用いて分析した分子および細胞の混合物に満足していたという事実に起因する。分子生物学的分析の使用は、純粋な生物学的物質(分子、細胞)の研究に使用され、明白な結果をもたらす方法を適用することを可能にしたので、生物学を正確な科学にした。この点で、新しい方法論を用いて実施された生物学的研究の証拠力は、著しく増加した。これらの変化の結果は、生物学の進歩を急速に加速させた。過去数十年間に得られた知識の量は、数世紀にわたる生物学の分野で蓄積された量に匹敵する。

Worldviewゴール – グローバルプロジェクト

グローバルプロジェクトの枠組みにおいて普遍的かつ基本的な結果を得るための方向性として、現代生物学の発展のそのような特徴は言及する必要はない。一例は、ヒトゲノムの完全な解読を目的としたプロジェクト「ヒトゲノム」である。一見すると、そのような知識は正式な目録と同様に重複しているように見える。しかしながら、より詳細な検査の際に、そうでないことを確認することは困難ではない。例えば、細胞の機能を研究する研究者は、現在、研究に携わっている全ての遺伝子の発現を決定する。仕様がなければ、得られた結果の解読は不可能であり、したがって、細胞の機能を判断することは不可能であろう。今日まで、ヒトゲノムは完全に解読されただけでなく、マウス、果実、ワーム Cenorabditis elegans、 遺伝的および分子生物学的研究の好例である。今プロテオミクスの枠組みの中で 2 ヒトおよび動物のタンパク質の同様の目録作成が行われ、これは既に身体の生理学的機能の実現に関連しており、生物学の視細胞 – 遺伝的および生理学的 – 代謝的方向の合成の最も完全な発現となり得る。

生物学とその役割に関する考え方の変化

すべての生物学分野に分子生物学が広く浸透してきたことで、伝統的な生物科学(細胞学、生化学、生理学)、さらには個々の分野(医学分野、例えば腫瘍学、血液学、免疫学)においても個性が失われ、生物学。この見解は、生物学における分子アプローチの熟達者の最大限を反映しています。しかし、同様のエピソードは生物学の歴史だけでなく、通常は独自のタスク、目的、研究方法を持つ科学分野の主権の回復で終わった。例えば細胞生物学への分子的アプローチの侵入の度合いに関わらず、細胞は常にそれを形成する分子の合計に還元できず、特別な作業および方法論的アプローチを生成する独立した生物学的目的のままである。分子のアプローチの使用の境界は、生命の組織化の分子遺伝学的および発生的なレベルから集団および生物圏への移行において顕著である。それにもかかわらず、分子アプローチの原理と方法の導入により、生物学のイデオロギー的方法論的統一がかなり強化されたことは明らかである。

既に指摘したように、生物学の分子レベルへの移行は新しいバイオテクノロジーを生み出した。その本質は、多くの実質的に重要な生物学的産物(新薬および診断用製品、食品、科学研究用試薬など)の製造のための現代の生物学的方法(特に遺伝子工学)の工業的利用にある。人工的に作製され、新たな特性を有するタンパク質)の合成を可能にする。バイオテクノロジー生産の収益性は、伝統的な業界をはるかに超えており、コンピュータ技術だけがそれと競合する可能性があります。この点で、私たちの人生への生物学の影響は著しく増加し、それが今度はそれに対する一般の注目を集めるようになった。

新機能 – 新しい課題

技術的能力の向上と生物学の人々の生活への影響の劇的な拡大は、すでに新しい問題を引き起こしている。遺伝的に改変された食品の受容性に関する議論は誰もが知っている。バイオテクノロジー産業の高い収益性は、自社の製品(医薬品や食品を含む)に無意識に、そして暗黙のうちに予測することが困難な結果を招く傾向があります。生物学は人間の存在の禁止された領域に浸透し、例えば人間の個性、人間の存在の法律や限界などの側面に影響を及ぼすという恐怖にインスピレーションを与えてきた。それは、バイオテクノロジーにおける驚異的な進歩心理生物学の成功は新たな恐怖を創造する。生物学のある領域での研究のために時折確立されたモラトリアムは、常に一時的なものであり、人間の能力に利用可能なすべての形態と徴候において生物学の発展を止めることはできない。しかし、この種の問題や恐怖の出現は、生物学の成功に対する確かな証言です(彼らは放射線や化学汚染を恐れていましたが、現在はバイオテクノロジーの製品です)。

実用的なアプリケーション

このトピックに関する一般的な議論は、具体的な例を鮮明に示しています。

1970年代、アポトーシスと呼ばれる現象が発見されました。 3その意味は、多細胞生物の利益のために細胞の自殺として比喩的に伝えることができる。

基本的および有意性の点で、この現象は細胞分裂および分化に匹敵する。彼の発見は伝統的な方法で行われました。最初の20年間は彼の研究のために使われましたが、それは非常に効果がないことが判明しました。しかし後で(生物学者が発見の意義を認識したとき)、前述のワームの目的として選択して分子遺伝学的アプローチを分析に適用した C.エレガンス – この生物の細胞数の高い安定性と、それを扱う利便性があるためです。その後、アポトーシスに関連する遺伝子のリストが迅速に確立され、哺乳類におけるホモログ(同一構造を有する遺伝子)が同定され、このプロセスにおけるそれらの役割が確立され、アポトーシスのメカニズムが広く定義された。

数年の間、分子生物学の原理と方法を用いて、従来の方法では何十年も研究することができなかった問題が解決されました。

医学的診断(特にがんの予防と治療)の問題は誰にでも関係しますが、それでも根本的には解決されていないため、腫瘍学は実用的に重要な新しいアプローチを開発するための最も適した跳躍橋のようです。それらの1つは、腫瘍抗原の探索および産生、すなわち腫瘍細胞の特徴であるが、健康な生物(少なくとも成人)に対しては異質であり、対応する抗体の形成を引き起こすことに関係する。腫瘍抗原は抗癌ワクチンの基礎となりうる。

最初の腫瘍抗原は、1960年代初期にG. I. Abelevによって発見されました。その後、多くの研究者が関わってきましたが、その識別と分離は依然として困難な問題でした。分子生物学は、オンコワクチンを作製するための比較的簡単で効果的なアプローチの開発を可能にした。また、十分に効果的なワクチンを作ることができなかったとしても、技術の不完全さの結果よりも抗腫瘍免疫のメカニズムに関する不完全な知識の問題の可能性が高い。

バイオテクノロジー生産の基礎としての現代細胞および分子生物学の使用の最も顕著な例の1つは、モノクローナル抗体産業であり得る。 4 今日の科学と医学は考えられない。

そのような抗体は、生物学的高分子を分析するための非常に敏感なツールである。それらは、化学物質の同定および分離、その濃度の測定、および医学における診断のための免疫化学分析に使用されます。伝統的に、それらは動物を免疫することにより、すなわち抗体を得るための物質をそれらに注射することによって得られた。しかしながら、これは、免疫応答に関与する細胞の異なるクローンによって産生される抗体の混合物を産生した。したがって、必要とされる特異性(選択性)を有する抗体の産生のための標準的な調製物を得ることは不可能であった。

ハイブリドーマの助けを借りて、これを行うことができました – 免疫された動物(通常はマウス)の細胞と腫瘍細胞との融合に基づく新しい技術。ハイブリッド細胞は実質的に不滅であり、高い再生産能力を有する。

細胞クローニングの方法、およびハイブリッドの選択を容易にする他の多くの技術を用いて、科学者は、必要な抗体を産生する細胞のクローンを正確に単離する。得られた細胞(これはハイブリドーマである)は、不死の特異的抗体を産生する能力を結合する。そのような細胞は、任意の量で増殖され、任意の長期間維持され得る。それらが形成する抗体は均質であり、他の性質については、それらは純粋な化学試薬の要件を満たす。

ハイブリドーマは、免疫学だけでなく、医学および生物学においても革命を起こした。モノクローナル抗体の助けを借りて、分子および細胞は既に首尾よく同定され、疾患は診断され、悪性腫瘍および他の病状を治療するために使用される。しかし、マウス抗体は人体に対して外来であり、次にこれらの抗体に対する抗体を産生し、それらを中和する。しかし、この問題は遺伝子工学のおかげで解決されました。抗体分子のすべての部分は、その特異性を決定する小さな領域を除いて、ヒト類似体に置き換えられます。結果として、抗体は、特異性を維持しながら、ヒトに対して外来を止める。

産生されたモノクローナル抗体の変異体の数は、長い間数十万であり、それらの産生は収率の点で記録的なものの1つである。

***

何世紀にもわたって自然科学の後ろにあった生物学が、物理学や化学の隣で同等の位置を占め、開発率や資金調達の規模でもそれを上回るのはなぜかという記事の冒頭にある質問に対する答えに戻ることが可能になったようです。提案された答えは、20世紀半ば、生命研究の2つの異なるアプローチ、すなわち生物学の遺伝的および生理学的代謝方向が合併したことである。新しい科学分子生物学の誕生をもたらしたこの合成は、正確な知識が急速に蓄積され、科学技術をはるかに超え、より深く、より深く私たちの人生に深く浸透し、関心が高まっている新技術の開発の基礎を作り出しました。


1 ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)は、生物学的物質(サンプル)中の個々のDNA断片の低濃度を有意に増加させる分子生物学の方法である。 PCRは単純なDNA複製(増幅)に加えて、遺伝物質(変異の導入、DNA断片のスプライシングなど)を用いた多くの他の操作を可能にし、生物学および医学において広く使用されている(例えば、遺伝病または感染症の診断、 、遺伝子の単離およびクローニングなど)。

2 プロテオミクスは、タンパク質とそれらの相互作用(特に人体内)の科学です。それによって研究されるプロセスの中には、タンパク質の合成、それらの修飾、体内での分解および置換がある。以前は、タンパク質の研究は、生化学のセクションの1つの内容でした。

3 アポトーシス – プログラム細胞死、例えば、細胞圧縮、染色体を満たす染色体の凝縮および断片化、細胞膜の圧縮(したがって、アポトーシスの間、細胞内容物は環境に入っていない)など、単細胞および多細胞生物において異なる一連の特徴を伴う。

4 モノクローナル抗体は、同じ細胞クローンに属する免疫細胞(すなわち、単一の前駆細胞から得られる)を産生する。それらは、抗体が特異的に結合する任意の物質上で産生することができ、特定の物質の検出または精製のための生化学、分子生物学および医学において広く使用される。


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