Биологическое поле

Биологическое поле — концепция, введенная в рассмотрение советским биологом А. Г. Гурвичем для объяснения процессов эмбриогенеза и, в более общем контексте, биологического морфогенеза. Получила развитие в современных теоретических моделях морфогенеза под именем морфогенетического поля (morphogenetic field) . Следует отличать от понятия биополе, которое в работах Гурвича и в литературе по морфогенезу не используется.

История вопроса

В начале прошлого века. молодой русский учёный А. Г. Гурвич, испытав «разочарование в исключительном применении экспериментального метода в механике развития»[1] в ряде исследований, начиная с 1912 г., делает попытку «поставить её на совершенно новую основу, применением чисто аналитического метода» и формулирует принципы «эмбрионального поля». Много лет спустя, Гурвич признает, что «идея поля… была лишь более четким оформлением идеи Дриша[2], выраженной словами о том, что проспективная судьба элемента есть функция его положения в целом»[3]

Первоначальная идея была довольно проста и естественна:

…если искомая, определяющая ход развития данного этапа функция имеет единственной независимой переменной координаты участвующих в нем элементов (например, клеток), то она является выражением поля, в том смысле, как это понятие употребляется в физике. Но проблемы раннего эмбрионального формообразования и сводятся по существу к передвижениям и перегруппировкам клеток. Поэтому исчерпывающее описание многих основных процессов эмбриогенеза может быть дано именно путём установления закона векторального поля, в котором эти процессы протекают

— Гурвич А.Г. Теория биологического поля - М. Советская наука, 1944, стр.5

Положения теории поля изменялись автором в течение всей его жизни.

Так, в работах 1912—1920 гг. исходная концепция поля связывалась с понятием «динамически преформированной морфы» - силовой поверхности, ориентирующей и притягивающей клетки эмбриональных зачатков.

Принцип «эмбрионального поля» был сформулирован Гурвичем в 1921 г., а сам термин «поле» применительно к процессам эмбрионального развития появляется в работе 1922 г.[4].

Коренному пересмотру, по словам самого Гурвича, первоначальная концепция поля подверглась после открытия в 1923 г. и последующего многолетнего изучения феномена «митогенетического излучения» (за что в 1941 г. А. Г. Гурвич получил Сталинскую премию).

В окончательном виде теория биологического поля сформулирована в монографии 1944 г.[1]

Основные положения теории биологического поля

Мотивацией к построению теории биологического поля стала неудовлетворённость Гурвича состоянием биологии в сравнении с другими основными научными дисциплинами — физикой и химией, а именно отсутствием системы специфичных для биологии понятий, составляющих её теоретический фундамент.

Концепции биологического поля автор попытался с самого начала придать «характер универсального биологического принципа, т.е…. рассматривать его как основу для будущей системы общей биологии»[1]. Это контрастирует с подходом американского биолога Пауля Вейсса (Paul Weiss), который независимо от Гурвича разрабатывал модель «морфогенетического поля»[5]. Гурвич никак не мог согласиться с точкой зрения П.Вейсса, который «впадая в противоречие сам с собой, утверждает, что понятие поля есть лишь сокращенная формулировка того, что мы наблюдаем, и что поэтому оно не имеет никакой ценности в смысле анализа и объяснения, но вместе с тем имеет большое значение, как удобное орудие описания»[1].

Гурвич вводит понятие «клеточного поля», связанного с клетками развивающегося эмбриона.

Основные свойства этого поля:

  • Поле порождается хроматином (лишь в его неравновесном состоянии), а его центр совпадает с центром клеточного ядра.
  • Поле использует энергию, освобождающуюся при экзотермических химических реакциях для сообщения молекулам субстрата (белкам) упорядоченного направленного движения
  • Объектом действия поля являются молекулы, точнее, неравновесные молекулярные ансамбли, названные Гурвичем «констелляциями»
  • Клеточное поле носит векторный центробежный характер и анизотропно. Характер анизотропии определяет специфичность поля, а, следовательно, и клеток данного вида
  • Поле непрерывно и преемственно, то есть при делении клеток делится и поле. Более того, «клеточное поле является единственной преформационной компонентой, то есть единственным реальным наследственным началом»
  • Клетка создаёт вокруг себя поле. Область ощутимого действия поля выходит за пределы клетки в межклеточное пространство

В межклеточном пространстве существует синтезированное из клеточных полей поле целого (надклеточное поле), которое находится как векторная сумма полей клеток. Для практических целей Гурвич предлагает рассматривать эллипсоидальную анизотропию и гиперболический градиент поля. Поле целого непрерывно меняется вслед за перестройкой клеточной структуры эмбриона и в каждый конкретный момент мы имеем дело с «актуальным» полем, определяющим ближайшее развитие.

Считая поле безусловно материальным, Гурвич избегает предположений о его физической природе и говорит о возможности лишь формального постулирования связи источника поля с материальными частицами (хроматином клеточного ядра). Экспериментальным обоснованием существования поля Гурвич считает обнаруженное им митогенетическое (деградационное) излучение, которое в свою очередь означает существование неравновесных молекулярных констелляций. Эти констелляции и являются проявлением поля.

Значение теории биологического поля и её развитие в современных моделях морфогенеза

Спустя много лет после выхода работы Гурвича по теории биологического поля, продолжают появляться публикации с обсуждением его теории как в популярной[6], так и в специальной научной литературе[7][8][9]. Ссылки на его работы и обсуждение введённых им понятий можно найти в современных обзорах по теории морфогенеза[10].

Термин «биологическое поле» не используется в современной научной литературе. Отчасти потому, что и сам Гурвич использовал его скорее как общее понятие, «универсальный принцип» в построении теоретического фундамента биологии (этот подход не получил распространения в настоящее время). Конкретное содержание в его теории имеют понятия эмбриональное, клеточное, надклеточное (морфогенное), актуальное поле. И эти понятия во многом перекликаются с понятием «морфогенетического поля», теорию которого независимо от Гурвича развивал П.Вейсс[5]. Именно этот термин и стал использоваться в дальнейшем в некоторых теоретических моделях морфогенеза, хотя содержание его существенно отличается в разных теориях (см. обсуждение в работах[10][11]).

До сих пор нет единого мнения о том, насколько плодотворна концепция поля применительно к описанию процессов биологического морфогенеза.

Так, К.Уоддингтон (Waddington C.H.) считал, что это, по существу, лишь удобный способ описания:

…биологи не смогли придумать ничего лучшего, как постулировать наличие морфогенетического поля, которое определяет облик образуемой структуры. Слово «поле», разумеется, представляет собой расплывчатое понятие. В его обычном смысле оно означает, что внутри участка развивающейся структуры действует какая-то сила (или простой ряд сил), правильно распределяющаяся в пространстве. В случае биологических явлений трудность заключается в том, чтобы определить что это за сила. …Мы знаем очень мало о материальной природе причинных агентов тех процессов, для объяснения которых мы употребляем термин «поле».

— Уоддингтон К. Морфогенез и генетика - М.: Мир, 1964

С ним не вполне согласен Б. Гудвин (Goodwin B.C.), который, фактически, разделял взгляды Гурвича:

Один аспект поля состоит в том, что на него могут влиять электрические силы. Было обнаружено, что другие развивающиеся и регенерирующие организмы имеют интересную и значительную электрическую сеть, но я не хотел бы предположить, что морфогенетическое поле имеет по существу электрическую природу. Химические вещества также влияют на полярность и другие пространственные аспекты развивающихся организмов; но опять-таки я не хотел бы делать отсюда вывод, что морфогенетическое поле имеет по существу химическую или биохимическую природу. Мое убеждение состоит в том, что исследование этого поля должно проводиться при допущении, что оно имеет природу какую либо из упомянутых, или никакую из них, или все сразу; но я считаю, что, несмотря на агностицизм в отношении его материальной природы, оно играет главную роль в процессе развития

— Goodwin B.C. On morphogenetic fields - Theoria to Theory 13, 109-114, 1979

Предельно широко концепцию морфогенетических полей трактует Руперт Шелдрейк, который распространяет её на любые материальные системы (не только живые) и говорит о «химическом морфогенезе», атомных и молекулярных морфогенетических полях[12]. Теория Шелдрейка неоднозначно воспринята в научных кругах (см. Приложение в[12]) и на сегодняшний день экспериментального подтверждения не получила.

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 Гурвич А.Г. Теория биологического поля. — М.: Советская наука, 1944.
  2. ↑ Дриш Г. Витализм. Его история и система // Пер. с нем. и обзор А. Г. Гурвича.. — 1915.
  3. ↑ Гурвич А.Г. Принципы аналитической биологии и теории клеточных полей. — М.: Наука, 1991.
  4. ↑ Gurwitsch A.G. Uber den Begriff des embryonalen Feldes // "Arch. f. Entw.-mech.". — 1922. — № 51.
  5. ↑ 1 2 Weiss P.A. Principles of Development // Henry Holt and Company. — 1939.
  6. ↑ Гавриш О.Г. А. Г. Гурвич: подлинная история биологического поля // Химия и жизнь — XXI век. — 2003. — № 5.
  7. ↑ Белоусов Л.В. История, развитие и перспективы теории биологического поля - В сб. "Физические и химические основы жизненных явлений". — М.: Изд-во АН СССР, 1963. — С. с.59-117.
  8. ↑ Lipkind M.A. Gurwitsch` Theorie vom biologischen Feld // Fusion. — 1987. — № N4, c.29-49: N5-6,c.53-65.
  9. ↑ Beloussov LV, Opitz JM, Gilbert SF. Life of Alexander G. Gurwitsch and his relevant contribution to the theory of morphogenetic fields. // Int J Dev Biol.. — 1997. — № 41. — С. 771–779..
  10. ↑ 1 2 Levin M. Morphogenetic fields in embryogenesis, regeneration, and cancer: Non-local control of complex patterning // BioSystems. — 2012. — № 109. — С. 243-261.
  11. ↑ Beloussov L.V. Morphogenetic fields: outlining the alternatives and enlarging the context // J.Riv.Biol.: Biol.Forum. — 2001. — № 94. — С. 219-235.
  12. ↑ 1 2 Шелдрейк Р. Новая наука о жизни. — М.: РИПОЛ КЛАССИК, 2005.