Текст книги "100 великих научных достижений России"

Вирусология Ивановского

Физиолог растений, микробиолог, лектор, педагог, общественный деятель; редактор «Варшавских университетских известий»; приват-доцент Петербургского, профессор Варшавского и Донского университетов, а также Высших женских курсов; создатель научной школы вирусологов; заведующий Никитским ботаническим садом под Ялтой; председатель отделения биологии Общества естествоиспытателей природы, Дмитрий Иосифович Ивановский (1864–1920) является основоположником вирусологии.

Что такое вирус, можно узнать, заглянув в любую энциклопедию. Здоровее будет с ним познакомиться заочно.

Вирус (от лат. virus – «яд») – простейшая форма жизни, микроскопическая частица, представляющая собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенные в белковую оболочку и способные инфицировать живые организмы. Эти паразиты могут размножаться только внутри клетки растений, животных, грибов и бактерий. Вирусы – самая многочисленная форма существования органической материи на Земле. Так, воды Мирового океана содержат около 4×1030 вирусов бактерий (бактериофагов). Отличительной чертой вирусов служит их способность воспроизводить самих себя.

Проникая в клетку, вирусы перепрограммируют клеточные системы, подавляют противовирусную защиту и создают комфортные условия для развития собственного потомства. Клетка превращается в инкубатор вирусов, которые, созревая, покидают клетку, чаще всего губя ее, так как разрывают клеточную мембрану.

Чума, оспа, сибирская язва, желтая лихорадка, полиомиелит, грипп, герпес, рак, бешенство, гепатит А и В, энцефалит, корь, СПИД и пр. – все это вирусные заболевания человека, и ни одно из них нельзя назвать легким. Без преувеличения, это опасность № 1 для человека. Недаром обладателями Нобелевских премий по физиологии и медицине, а также по химии стали больше десяти исследователей, занимавшихся вплотную изучением вирусов. И понятно, что ученый, открывший возбудителя эпидемий и пандемий, заслуживает глубочайшей благодарности всего человечества, а заодно и всего растительного и животного мира.

К чести России, автор этого открытия – русский ученый, микробиолог Д.И. Ивановский.

Дмитрий Иосифович обнаружил вирусы в результате изучения заболевания табачных растений. Пытаясь найти возбудителя опасной болезни – табачной мозаики (проявляется на многих, особенно тепличных растениях в виде скручивающихся трубочкой, желтеющих и опадающих листьев, в некрозе плодов, нарастающих боковых почек), Ивановский несколько лет занимался исследованиями в Никитском ботаническом саду под Ялтой и в ботанической лаборатории АН.

Здание Санкт-Петербургского университета, в котором учился Д.И. Ивановский. Акварель XIX в.

Зная из работ голландского ботаника А.Д. Майера о том, что мозаичную болезнь табака можно вызвать переносом сока больных растений здоровым, ученый растирал листья больных растений, процеживал сок через полотняный фильтр и впрыскивал его в жилки здоровых листьев табака. Как правило, инфицированные растения перенимали болезнь.

Ботаник тщательно изучал под микроскопом больные листья, но не обнаружил ни бактерий, ни еще каких-либо микроорганизмов, что неудивительно, так как вирусы размером от 20 до 300 нм (1 нм = 10⁹ м) на два порядка меньше бактерий, и их в оптический микроскоп увидеть нельзя.

Считая, что в инфицировании виноваты все-таки бактерии, ботаник стал пропускать сок через специальный фарфоровый фильтр Э. Шамберлена, но, вопреки ожиданиям, инфекционные свойства отфильтрованного сока сохранялись, то есть фильтр не улавливал бактерии. Попытка вырастить возбудителя мозаики на обычных питательных средах, как это делается с теми же бактериями, не увенчалась успехом.

Обнаружив в клетках инфицированных растений кристаллические включения (кристаллы «И»), ученый пришел к выводу, что возбудителем мозаичной болезни является твердое инфекционное начало – либо фильтрующиеся бактерии, не способные расти на искусственных субстратах, либо неведомые и невидимые микроорганизмы, выделяющие токсины.

О своих наблюдениях Ивановский доложил в 1892 г. на заседании Императорской АН. На эту тему им были опубликованы статья и брошюра «О двух болезнях табака», тут же переведенная на немецкий язык. Докторскую диссертацию на тему «Мозаичная болезнь табака» микробиолог защитил в Киевском университете в 1903 г.

В диссертации Ивановский представил блестящие результаты своих экспериментов, безупречно отработанные методики, сделал выводы о существовании нового, неизвестного ранее класса микроорганизмов. Дав критерии и методы для их определения, ученый заложил основы новой научной дисциплины – вирусологии, ставшей к середине XX в. самостоятельной дисциплиной.

В 1899 г. голландский ботаник М. Бейеринк независимо от Ивановского повторил опыты с табачной мозаикой на фильтре Шамберлена и подтвердил наблюдения русского ученого. На Западе было провозгласили Бейеринка первооткрывателем вирусов, но тот сам подтвердил приоритет Ивановского. Правда, при этом голландец утверждал, что мозаику табака вызывает «жидкое заразное начало, которое размножается только в живых растениях, убивается кипячением и сохраняет инфекционные свойства при высушивании».

После изобретения электронного микроскопа кристаллические включения, описанные Ивановским, были идентифицированы как кристаллы вируса табачной мозаики в 1935 г. американским биохимиком У. Стэнли – ученый получил тогда за свои исследования Нобелевскую премию.

Какое-то время при описании вирусов использовалась терминология Ивановского и Бейеринка – «фильтрующееся ядовитое начало», «фильтрующийся вирус», но со временем осталось одно слово – «вирус», и его открытие связывают с именем одного Ивановского.

Справедливости ради надо отметить, что вирусы были известны и до Ивановского. Э. Дженнер еще в конце XVIII в. получил первую противооспенную вакцину; в 1885 г. разработал вакцину против вируса бешенства Л. Пастер. Основатель микробиологии тогда не знал природы возбудителя заболевания и называл (вместе со всем медицинским сообществом) «вирусом» всякое заразное начало.

Исследования Ивановского подхватили ученые во всем мире. Использовав метод фильтрации русского ученого, немецкие врачи Ф. Лефлер и П. Фрош в 1897 г. обнаружили возбудителя ящура крупного рогатого скота. Затем последовал бум открытий вирусов – желтой лихорадки, чумы, бешенства, натуральной оспы, полиомиелита и т. д. В 1917 году были открыты бактериофаги – вирусы, разрушающие бактерии. Естественно, каждое открытие не было задачей «чистой» науки, за ним тут же следовало приготовление противоядия – вакцины, лечение и профилактика заболевания.

Ныне описано свыше 6000 вирусов, принадлежащих к 2000 видам, 287 родам, 73 семействам и 3 порядкам. Более десятка основных групп вирусов являются патогенными для человека. К ДНК-содержащим вирусам относят семейство поксвирусов (вызывающих оспу), вирусы группы герпеса, аденовирусы и др. К РНК-содержащим вирусам относят пикорнавирусы (полиомиелит, гепатит А, острые простудные заболевания), миксовирусы и парамиксовирусы (грипп, корь, свинка) и т. д. Самую многочисленную группу составляют т. н. «арбовирусы», переносимые членистоногими – комарами, москитами, клещами.

Минеральные удобрения Прянишникова

Агроном, агрохимик, биохимик, физиолог растений, популяризатор науки; государственный и общественный деятель; заведующий кафедрой агрохимии Московской сельхозакадемии; академик АН СССР, ВАСХНИЛ; член 12 иностранных академий и научных обществ; участник многих международных и европейских научных конгрессов; основоположник научной школы агрохимиков; директор Московского сельхозинститута, основатель и директор Научного института по удобрениям; директор Голицынских высших женских сельхозкурсов; член Госплана СССР, Комитета по химизации народного хозяйства; кавалер двух орденов Ленина, трех орденов Трудового Красного Знамени, ордена Отечественной войны I степени, Большой золотой медали Всесоюзной сельхозвыставки, медалей; лауреат премии им. В.И. Ленина, премии Комитета по химизации народного хозяйства СССР, Сталинской премии СССР, Премии им. К.А. Тимирязева АН СССР; Герой Труда; Герой Социалистического Труда, Дмитрий Николаевич Прянишников (1865–1948) известен в мире своими работами по агрономической химии и физиологии растений. Величайшим научным достижением стали труды Прянишникова, обеспечившие развитие химизации СССР, производство и применение минеральных удобрений.

Урожайность сельхозкультур прямо зависит от количества применяемых удобрений. Нет удобрений – быстро истощается почвенное плодородие, резко снижаются урожаи. Однако при внесении удобрений в почву надо придерживаться определенной нормы и достаточно жестких правил, обоснованных в свое время Д.Н. Прянишниковым и его школой.

Как известно, удобрения бывают органические (навоз, торф, компост, птичий помет, перегной и др.) и минеральные (аммиачная селитра, суперфосфат, хлористый калий, нитрофоски, аммофоски).

Памятник Д.Н. Прянишникову в Москве. Скульпторы О.В. Квинихидзе и Г.А. Шульц

За последние 20 лет в нашей стране произошел резкий спад применения минеральных удобрений. Если в 1980-х гг. в почву вносилось в среднем до 110 кг этих удобрений на гектар посевов, то в 1990-х только 16. Сегодня эту цифру с горем пополам подняли до 36. Для сравнения в Нидерландах норма удобрений на картофель 410 кг/га, на овощи – 380, под зерновые (кукуруза, ячмень, рожь, овес) – 100, под пшеницу – 210.

Говоря об агрохимии – науке о взаимоотношениях трех составляющих: растения, почвы и удобрений, Прянишников изображал ее область в виде равностороннего треугольника. Главной задачей агрохимии ученый считал «изучение круговорота веществ в земледелии и выявление тех мер воздействия на химические процессы, протекающие в почве и растении, которые могут повышать урожай или изменять его состав».

Это убеждение исследователя покоилось на трех китах агрохимии: теории питания растений; учении о свойствах почвы с точки зрения этого питания и взаимодействия ее с удобрениями; учении о свойствах удобрений. Занимаясь другими науками, тесно связанными с агрохимией (почвоведением, растениеводством, физиологией растений, агрофизикой, земледелием, метеорологией, генетикой, селекцией, биохимией растений), Прянишников внес весомый вклад и в развитие этих областей знания. Благодаря теоретическим и прикладным работам Дмитрия Николаевича русская агрохимия получила мировое признание.

В каждом из направлений «триады» Прянишников достиг выдающихся результатов, но мы ограничимся работами ученого, связанными с производством и применением минеральных удобрений в земледелии. Многие труды Прянишникова стали классикой: «Частное земледелие» (1898), «Учение об удобрении» (1900), «Химия растений. Углеводы. Белковые вещества» (1907, 1914), «Аммиак как альфа и омега обмена азотистых веществ в растении» (1916) и т. д.

Работы Прянишникова, базировавшиеся на агрохимических исследованиях Д.И. Менделеева, А.Н. Энгельгардта, А.Е. Зайкевича, К.А. Тимирязева и др. русских ученых, шли параллельно с открытием в конце XIX в. крупных залежей фосфоритов. Ускорению изысканий способствовала международная и внутренняя обстановка: с европейского рынка российский хлеб стал вытеснять дешевый американский, а также столыпинское переселение крестьян в Сибирь требовало модернизации всего сельского хозяйства, в том числе и резкого увеличения применения минеральных удобрений.

Прянишников установил: все отечественные почвы нуждаются в минеральных удобрениях; большинство почв бедствуют без фосфатов; подзолистые почвы Нечерноземья испытывают «азотное голодание»; песчаные, сильно оподзоленные, торфяники и другие не могут давать урожай без калийных удобрений.

Проведя исследования фосфоритов, ученый доказал возможность непосредственного применения размолотых фосфоритов как удобрения и использования их для выработки суперфосфата, что привело к развитию производства фосфорных удобрений.

В России в начале XX в. очень остро, на уровне государственной безопасности, встал т. н. «туковый вопрос» (по Далю, почвенный тук – перегнившие животные и истлевшие и растительные вещества; удобрение, назем разного рода). Сельское хозяйство полностью зависело от ввоза удобрений из-за границы, в первую очередь из Германии. К тому же цена на них была неподъемной для подавляющего большинства крестьянских хозяйств, особенно переселенцев. Для производства своих удобрений не хватало собственного сырья. В итоге у нас вносилось удобрений на одну десятину в 20 раз меньше, чем в той же Германии. С началом Первой мировой войны Россия оказалась и вовсе без минеральных удобрений.

Прянишников очутился в самом центре этой важнейшей государственной проблемы, которую он решал затем до конца жизни.

Исследованиями Прянишникова и его школы были установлены базовые положения агрохимии в части применения минеральных удобрений в земледелии. Изучив процессы азотистого питания и обмена азотистых веществ в растительном организме, усвоения растениями аммиачного азота, Прянишников сформулировал классическую теорию азотного питания растений (1916), вскрыл общие черты обмена азотистых веществ в растительном и животном мире, обосновал и активно участвовал в организации промышленного производства аммиачных удобрений и широкого их применения в земледелии. Прикладные работы с аммиачными удобрениями (сернокислым аммонием и др.) оказали влияние на фундаментальные исследования в области обмена веществ растений.

После открытия на р. Каме богатых залежей калийных солей (1925) и залежей апатитов на Кольском полуострове (1926) ученый составил физиологическую характеристику отечественных калийных солей.

Прянишников опроверг устойчивое мнение европейских ученых об обязательном окультуривании почвы перед внесением удобрений. Это позволило снизить издержки производства и вносить удобрения под технические культуры – хлопчатник, сахарную свеклу, картофель, что привело к существенному повышению урожайности.

В 1931 г. ученый возглавил Отдел минеральных удобрений ВНИИ удобрений, агротехники и агропочвоведения. Изучив эффективность удобрений в различных почвенно-климатических и производственных условиях, Прянишников разработал принципы рационального размещения и применения удобрений.

Помимо этого, агрохимик изучил «вопросы известкования кислых почв, гипсования солонцов; апробировал различные виды калийных, азотных и фосфорных удобрений в основных земледельческих районах СССР».

И наконец, Д.Н. Прянишников стал вдохновителем и инициатором развития в нашей стране туковой промышленности. В 1973 г. СССР вышел на первое место в мире по производству минеральных удобрений. (Сегодня Россия по этому показателю находится на 4-м месте.)

Прянишников приобрел всероссийскую известность в годы Первой мировой войны, когда на страницах специальной литературы и в СМИ ученые и публицисты обсуждали планы создания отечественной туковой промышленности. А уже после Второй мировой войны имя русского исследователя стало известно во всем мире. Французские ученые, например, с восторгом отзывались о нем – члене-корреспонденте Французской АН, «но многие были убеждены, что есть несколько известных ученых Прянишниковых: Прянишников-агроном, Прянишников-агрохимик, Прянишников – физиолог и биохимик, и каждый думал, что он знает труды одного из этих Прянишниковых. После разъяснения, что это один и тот же Дмитрий Прянишников, неизменно следовало: “О! Это – непостижимо: на это способен только русский!”».

Собрание достижений Николая Вавилова

Ученый-растениевод, селекционер, географ, путешественник, президент Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук им. В.И. Ленина и Всесоюзного географического общества, академик АН СССР и ВАСХНИЛ, член двух десятков зарубежных академий и научных обществ, организатор и участник множества экспедиций по всему миру, Николай Иванович Вавилов (1887–1943) знаменит как основоположник генетики и собиратель самой богатой в мире коллекции культурных растений. Величайшими открытиями ученого стали нахождение географических центров происхождения культурных растений и установление закона гомологических рядов в наследственной изменчивости.

Н.И. Вавилов

В первой трети прошлого века еще встречались ученые-энциклопедисты масштаба Леонардо да Винчи, Ньютона, Ломоносова. Николай Иванович Вавилов – из их числа.

У Вавилова целое собрание выдающихся научных достижений: учение об иммунитете растений, коллекция семян, учение о центрах происхождения культурных растений, закон гомологических рядов в наследственной изменчивости организмов, современное учение о селекции – ими научное наследство генетика не исчерпывается.

Открытые ученым законы и созданные им учения нельзя разорвать, из них трудно выделить главное. Они вытекали один из другого, взаимно дополняя друг друга, и системно влияли на развитие науки и прогресс сельского хозяйства в мире.

Во время Первой мировой войны Вавилова назначили консультантом по вопросам массового заболевания солдат русской армии в Персии. Найдя причину болезни, ученый заодно собрал образцы персидской пшеницы. Посеяв позднее злак в Англии, он безуспешно пытался заразить ее мучнистой росой, после чего пришел к выводу, что иммунитет растений зависит от условий среды, в которой изначально формировался данный вид и что в наследственной изменчивости есть своя закономерность. Проследив изменения видов ржи и пшеницы от Ирана до Памира, Вавилов нашел, что и между родами существуют такие же закономерности. Позднее ученый экспериментально изучил иммунитет различных сельскохозяйственных растений на хлебных злаках (650 сортов пшеницы, 350 овса и т. д.) и в 1919 г. выпустил монографию «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям». Этот труд положил начало изучению генетической природы иммунитета растений. С него, собственно, и началась мировая слава русского ученого.

А теперь о времени, в которое жил Вавилов, и о нем самом. В 1920-х гг. после мировой и Гражданской войн страна была в руинах. На земле было больше могил, чем землепашцев. Надо было преодолевать разруху, где-то брать зерно, картофель, растительное масло и пр., чтобы накормить людей, для чего срочно требовалось повысить урожайность сельхозкультур. А для этого надо было резко улучшить местные крестьянские сорта растений. Но как?

Работы был непочатый край. Это был трудоголик, всю жизнь работавший без выходных и отпусков, считавший болезнь непозволительной роскошью, трудившийся в любых условиях по 16–18 часов в сутки, довольствовавшийся прерывистым сном в самолетах, вагонах, автомобилях и кибитках. Изумительная память, знание 20 языков, высочайшая коммуникабельность, обаяние и миролюбие, исходившие от него, поразительное здоровье, когда рядом с ним от усталости валились люди и лошади, а ему было хоть бы хны, привычка к риску, олимпийское спокойствие и самообладание – все это делало Николая Ивановича уникальной личностью, за которой следовали все. Человеку, который во всеуслышание в те непростые годы мог сказать «Пойдём на костер, будем гореть, но от убеждений своих не отречемся», верили.

Но вернемся к научным достижениям ученого.

Еще в молодости решив, что в селекционной и научно-исследовательской работе без собрания культурных растений не обойтись, Вавилов стал собирать семена культурных растений и их диких сородичей во всех наиболее древних земледельческих странах мира. Эта задача стала одной из главных в руководимом им Всесоюзном институте растениеводства (ВИР). Вавилов подобрал ученых-единомышленников, разработал широкую программу научных экспедиций, выбил фонды и деньги и организовал 180 ботанико-агрономических экспедиций на все континенты, кроме Австралии и Антарктиды. Растениеводы собрали к 1940 г. 250 тыс. образцов (36 тыс. пшеницы, 10 тыс. – кукурузы и т. д.) – крупнейшую мировую коллекцию семян культурных растений, почти все, что было выведено когда-либо земледельцами мира.

На полях института и на опытных станциях страны эти семена высевали на делянках. Выросшие из них растения изучали, отбирали лучшие, создавали высокоурожайные сорта, которые внедрялись затем на колхозные и совхозные поля. О своих путешествиях Вавилов поведал не только в научных работах (у него их около 400), но и в увлекательной книге – «Пять континентов».

Ученый сам (в одиночку или с 1–2 помощниками) преодолел по суше, воде и воздуху 100 тыс. км и исходил пешком 54 страны, часто с опасностью для жизни, в непроходимых местах, где еще не ступала нога европейца. «Мне не жалко отдать жизнь ради самого малого в науке», – без всякой позы говорил ученый. За 5-месячную экспедицию в Афганистан (1924), где Вавилову пришлось преодолеть «на краю гибели» 5000 км, Географическое общество СССР присудило ученому высшую награду – Золотую медаль им. Н.М. Пржевальского.

В отличие от зарубежных коллег Вавилов осуществлял поиск и сбор материалов не вслепую. Предпосылками и теоретическим обоснованием этой работы стали сформулированные им представления о гомологических рядах и о географических центрах происхождения культурных растений.

Обнаружив удивительное повторение одних и тех же признаков у растений, принадлежащих к различным ботаническим видам, Вавилов пришел к выводу, что у родственных организмов изменчивость признаков идет в одном направлении, то есть параллельно. Такую параллельную изменчивость имеют не только виды одного и того же рода, но и виды близких по своему происхождению родов, например пшеницы, ячменя и других злаков. Ученый установил, что подобный параллелизм (гомологичность) изменчивости присущ не только растительному, но и животному миру и в основе его лежат закономерные генетические, то есть наследственные, взаимосвязи между поколениями организмов.

О законе гомологических рядов Вавилов сообщил на III Всероссийском селекционном съезде (1920). «Величайшее открытие, имеющее мировое значение», было восторженно встречено учеными России. Еще бы – теперь появилась возможность получать искусственные формы растений! Съезд отметил в решении, что вавиловский закон аналогичен периодическому закону в химии и шумно приветствовал «Менделеева биологии». Закон и впрямь четко устанавливал основы систематики всего разнообразия растительных (и животных) форм, позволял предсказывать существование, свойства и строение неизвестных еще форм и видов растений и животных, а биологам помогал целенаправленно заниматься селекцией.

Новый закон натолкнул Вавилова на поиски нескольких генетических центров, из которых произошли культурные растения Земли.

Установив, что не во всех географических зонах культурные растения обладают одинаковым разнообразием, ученый нашел для разных культур свои центры многообразия, где сосредоточено наибольшее число сортов, разновидностей, всевозможных наследственных отклонений. Он пришел к выводу, что эти центры являются и районами возникновения культурных сортов. У картофеля, например, максимум генетического разнообразия отмечен в Южной Америке, а у ячменя – в Африке.

На основании ботанико-географических, а также археологических и историко-лингвистических исследований Вавилов создал учение о центрах происхождения культурных растений и установил семь главнейших центров происхождения возделываемых растений: Южноазиатский тропический, Восточноазиатский, Юго-Западноазиатский, Средиземноморский, Абиссинский, Центральноамериканский и Южноамериканский. Позднее нашим ботаником П.М. Жуковским было установлено еще 4 центра – Австралийский, Африканский, Европейско-Сибирский и Североамериканский. В этих центрах ученые под эгидой ООН черпают сегодня самый разнообразный исходный селекционный материал.

Свои фундаментальные исследования Вавилов обобщил в труде «Центры происхождения культурных растений», за который ему была присуждена Премия им. В.И. Ленина (1926).

В результате всех своих трудов Вавилов создал селекцию в ее современном виде, основанием которой стали учение об исходном материале, ботанико-географические основы познания растений, метод селекции по хозяйственным признакам с привлечением гибридизации, дифференциальные карты географической локализации разновидностей пшеницы, овса, ячменя, ржи, кукурузы и других растений.

Поскольку среди культурных растений, привезенных из экспедиций, половина оказались новыми, еще неизвестными науке, это в корне изменило сам подход к селекционной работе. Так, открытие новых видов и разновидностей картофеля изменило прежнее представление об исходном материале. Точно так же проводилась селекция хлопчатника, осваивались влажные субтропики в СССР…

По мнению биологов всего мира, открытия Вавилова «сделались чем-то вроде ботанического компаса». Имя русского ученого начертано на титульном листе международного журнала «Генетика», выходящего в Лондоне, рядом с другими классиками естествознания – Линнеем, Дарвином и Менделем.

На долю коллекции образцов семян Вавилова выпали тяжкие испытания. При 900-дневной блокаде Ленинграда в годы Великой Отечественной войны сотрудники ВИРа умудрились не только сохранить коллекцию семян, но и вывести еще новые сорта с улучшенными качествами!

А уже в наши дни части этой коллекции – 10 000 образцам плодово-ягодных культур (яблонь, земляники, вишни, малины, смородины и др.), 90 % которых нет больше ни у кого в мире, грозит гибель. Дело в том, что землю Павловской опытной станции (филиала ВИР) под Санкт-Петербургом собираются пустить под застройку частными коттеджами.

Судьбу земли станции (а значит, и коллекции), после того как Федеральный арбитражный суд Московского округа «умыл руки», должна решить Счетная палата РФ.