Периодические системы и периодический закон в биологии

И.Ю. Попов
ПЕРИОДИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН
В БИОЛОГИИ
Товарищество научных изданий КМК
Санкт-Петербург — Москва  2008

УДК 574
Р е ц е н з е н т ы :
докт. биол. наук, академик РАЕН Б. Ф. Чадов
(Институт цитологии и генетики СО РАН)
канд. биол. наук А. М. Оловников
(Институт биохимической физики РАН)
Попов И.Ю. Периодические системы и периодический закон в биологии. —
СПб.; М.: Товарищество научных изданий КМК, 2008. — 223 с., ил.
В биологии по крайней мере около 150 лет искали периодические системы, напоминающие систему химических элементов. Предложено довольно много вариантов, но они не являются отображением поисков Менделеева на биологический
материал. Между тем, создание такого отображения возможно, и его использование продуктивно в таксономических и эволюционных исследованиях. В качестве аналогии элементов можно использовать «архетипы» — схемы, которые позволяют рассмотреть реально существующие организмы как их вариации, а в качестве аналогии ряда возрастания атомной массы — ряд превращений в определённом направлении, в котором прослеживалась бы трансформация простого
в сложное или низшего в высшее или примитивного в непримитивное. «Высшее»,
«сложное» или «непримитивное» состояние, выражается в увеличении числа и
разнообразия составляющих архетип «элементарных частиц», по сравнению с
«низшим», «простым» и «примитивным».
Popov I. Periodical systems and periodical law in biology. — SPb.; Moscow: KMK
Scientific Press Ltd., 2008. — 223 p., il.
Systems reminiscent to chemical ones appeared in biology regularly over last 150
years, and they are still appearing. However the experience of Mendeleev’s studies
was hardly used in them, although it is possible. The biological analogy to chemical
elements could be seen in «archetypes» — the schemes allowing considering biological
objects as their variations, while analogy to the growth of atomic weigh could be seen
in the series of archetype transformations from simplicity to complexity or from the
lowest condition to the highest one. The «complex» or «highest» condition means the
increasing the number and variety of the parts composing archetypes in comparison
with the «simplest» or «lowest» ones.
О т в е т с т в е н н ы й  р е д а к т о р :
докт. биол. наук А. Н. Островский (СПб. гос. университет)
ISBN 978-5-87317-505-5
© И. Попов, 2008
© Т-во научных изданий КМК, издание, 2008

Введение
На первый взгляд идея создания периодической системы элементов в биологии кажется абсурдной и наивной. Однако, обратившись
к истории, мы узнаём, что поиски обобщений в биологии, которые
выполняли бы функцию периодического закона Менделеева и его периодической системы элементов предпринимались довольно часто и
продолжают предприниматься в настоящее время. Инициативы в данном направлении обычно объясняются желанием решить некоторые
извечные проблемы биологии, а в особенности систематики. Наверное, нет ни одной группы организмов, которая не нуждалась бы в
полной таксономической ревизии. Со времён Линнея и до сих пор
системы живых организмов постоянно в корне пересматриваются, и
трудно представить, что это когда-нибудь завершится. В такой ситуации естественно возникает желание попытаться решительно с этим
покончить и создать нечто сходное с системами химии, то есть сделать так, чтобы при поступлении новых данных не надо было бы менять всю систему, а заполнять в ней пустые клетки подобно тому, как
вписывались новые элементы в систему Менделеева или органические вещества в гомологические ряды.
Обратиться анализу исследований в этой области меня побудили
длительные изыскания в области истории концепций направленной
эволюции (ортогенез). Их основная идея заключается в следующем:
у организмов есть предрасположенность варьировать в определённом
направлении, которая и обуславливает эволюцию в первую очередь;
как кристаллы растут, принимая определённую форму, так и живые
организма претерпевают эволюционное развитие в соответствии с закономерностями, обусловленными их строением. Если руководствоваться этим представлением, то результат эволюции — разнообразие
живых организмов — также должен считаться чем-то строго упорядоченным. Поэтому идея эволюции на основе закономерностей оказалась тесно связанной с составлением «периодических систем». По
мере моего исследования ортогенеза и прочих ересей в области эволюционной теории накапливалось всё больше и больше материала по
3

проблеме «периодических систем» биологии, пока, наконец, не наступило желание подвести некоторые итоги. Оказалось, что история проблемы охватывает уже около 150 лет, и обобщение полученных за это
время результатов даёт возможность сформулировать «периодический
закон» в биологии, аналогичный таковому в химии, и очертить контуры периодической таблицы биологических элементов.
В процессе работы выяснилось, что прогресс в данной области
сильно тормозит разобщённость тех исследований, которые должны
были бы выступать единым фронтом. Авторы работ о «биологической периодичности» нередко вообще ничего не знали ни о предшественниках, ни об аналогичных трудах своих современников, и поэтому много сил тратили на создание заново того, что уже было сделано
и с чего следовало бы начать. В связи с этим в данной ситуации крайне важен историко-научный очерк проблемы, с которого я и начну
изложение. Под «проблемой» в данном случае понимается следующее: выявление объектов биологии, которые имели бы в ней то же
значение, что и элементы в химии; составление табличных систем
классификации; возможность предсказания неизвестных ранее биологических объектов; выявление в системах классификации биологии
тех особенностей, которые напоминают какие-либо черты периодической системы химических элементов. Представленный историко-научный очерк относится к работам, в которых анализируется хотя бы
одна из указанных составляющих «проблемы биологической периодичности».
4

Глава 1. Первые намёки на возможность
составления периодической системы
в биологии (вторая половина XIX века)
Некоторые намёки на биологические исследования, аналогичные
тем, которые привели к созданию «периодического закона» химии,
можно усмотреть в трудах мыслителей древности. Многие философы
были убеждены в том, что объекты биологического исследования
состоят из элементарных частиц аналогичных частицам, составляющим химические вещества. По крайней мере, в XVIII веке эта мысль
была ясно высказана учёными, занимавшимися биологическими проблемами. Великий Жорж Бюффон (Georges Louis Leclerc Buffon,
1707–1788) придерживался этой точки зрения. Его антагонист — Карл
Линней (Carl von Linnй, 1707–1778), по-видимому, мог бы с ним согласиться, потому что развивал идею о том, что некоторые описанные
им виды произошли в результате гибридизации. Если развить эту
мысль Линнея, то нетрудно прийти к выводу о том, что есть некие
первичные «элементарные» виды, которые путём скрещивания породили те, которые мы наблюдаем в настоящее время. Во времена Линнея и Бюффона составлялись и некоторые схемы соотношения «типов», которые использовались для того, чтобы охарактеризовать порядок в разнообразии форм живого. Эти работы представляют большой исторический интерес, но в нашем случае нет необходимости их
детального анализа, потому что они слишком далеки от того уровня
биологических знаний, который позволяет очертить контуры периодической системы.
Исходные точки для исторического анализа нужно искать в трудах 1860-х годов. В 1859 году, как известно, был опубликован гениальный труд Чарльза Дарвина «О происхождении видов», который
привёл к революции в биологии. Теория биологии поднялась на новую высоту. Незадолго до этого времени вполне серьёзно выдвигались самые фантастические представления о возникновении видов или
живого вообще. К примеру, немало мыслителей было убеждено в
том, что морская вода постоянно порождает новые виды или что первый человек возник из какого-то морского животного как стрекоза
из личинки (см.: Лункевич, 1940; Junker, Hossfeld, 2001). С утверждением эволюционной идеи в биологии эти представления стали анахронизмами, хотя полностью и не были изжиты. В то же время, неко5

торые труды биологов, которые работали в 1860-е годы, и их ближайших предшественников не утрачивают своей ценности вплоть до настоящего времени в области рассматриваемой нами проблемы. И,
наконец, в 1860-е годы Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907)
занимался своими знаменитыми исследованиями, которые завершились открытием периодической системы и периодического закона
(1869). Поэтому начнём обзор истории проблемы с работ того времени и с формулировки периодического закона Менделеевым.
Периодический закон гласит: «Свойства элементов, а потому и
свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса» (цит. по: Менделеев, 1958,
с. 111). Иными словами, элементы, атомные массы которых существенно различаются, демонстрируют большее сходство, чем элементы, близкие по массе. Таким же образом и живые организмы, относящиеся к разным таксонам, могут иметь глубокие черты сходства.
Если сгруппировать их в ряды, то они напоминают о периодах и группах химических элементов или о гомологических рядах органических соединений. Одним из первых биологов, кто обратил внимание
на это обстоятельство, был американский зоолог и палеонтолог Эдуард Дринкер Коп (Edward Drinсker Cope, 1840–1897). В своём труде о происхождении родов (1868) он сравнивал отношения между
родами организмов с рядами элементов, составленными по принципу возрастания и убывания окислительных свойств. Периодическая
система элементов химии в то время еще не была открыта, но очевидно, в воображении Копа существовало нечто подобное. Отношения между близкими родами он представлял себе следующим образом: «Это точно так же, как среди неорганических элементов мы идём
от электроотрицательных неокисляющихся галогенов с фтором в качестве экстремума к электроположительным сильно окисляющимся
щелочным металлам, чей экстремум — калий, шагами, чьё относительное расположение определяется первоначально этим тестом; и как
каждый из этих шагов имеет внутреннюю серию веществ, характеризующуюся последовательными отношениями низшего уровня подчинённого ряда признаков» (Cope, 1868, p. 244). Члены «одной серии»
родов, по мнению Копа различаются каким-то единственным признаком, и чем дальше роды отстоят друг от друга — тем больше эволюционных шагов их разделяют. Коп показал, что между такими «сериями родов» наблюдается параллелизм, который может быть полным
или неполным.
6

Коп собрал множество сведений о параллелизмах. Он описал параллельные серии в вариантах строениях черепа лягушек, рогов оленей, деталей кровеносной системы позвоночных и т. д. Все эти сведения создавали картину эволюции, которая в корне отличается от той,
которую создаёт теория Дарвина — вместо ветвистого дерева (т. е. дивергенции) ход исторического развития живого видится многочисленными параллельными рядами. Копа действительно не устраивала теория естественного отбора. По его мнению, проблема эволюции не
сводится к вопросу о происхождении видов, поскольку происхождение родов и групп более высокого таксономического уровня — совершенно другой процесс. Ему Коп посвятил один из своих многочисленных трудов. Коп утверждал, что в эволюции существует два закона: 1)
закон акселерации и ретардации, 2) закон естественного отбора. Он
поставил себе задачу показать, что один из них не является частью
другого. Естественный отбор обусловлен «выживанием приспособленного», а «акселерация и ретардация» действуют вне зависимости от
приспособленности: «вместо того чтобы быть контролируемой приспособленностью, они сами контролируют приспособленность. Возможно, все признаки, предположительно отмечающие общие группы от
родов и выше (исключая, возможно, семейства), эволюционировали
первым способом, комбинирующимся с небольшим участием второго, а видовые признаки или виды эволюционировали с большей степенью участия второго и с меньшей первого» (Сope, 1868, p. 244).
Акселерация и ретардация при этом чётко не определялись. Из контекста следует, что их нужно понимать как закономерное превращение в
определённом направлении. В других работах Копа есть некоторые
пояснения по этому поводу: «закон акселерации» означает появление
признака на более ранней стадии индивидуального развития, чем у
предка (это рассматривалось как «принцип» или механизм прогрессивного развития, т. е. поскольку по мере эволюции у организмов
приобретается большее число новых особенностей, то для осуществления онтогенеза признаки предков появляются раньше); «закон ретардации», соответствующий регрессивному развитию, означает появление признака на более поздней стадии онтогенеза, чем у предка, т. е.
организм должен в индивидуальном развитии пройти признаки прогрессивного развития, а потом пойти обратно и таким образом приобрести окончательные признаки позже, чем предок.
Отсутствие полной ясности в определении ключевых понятий отчасти объясняется тем, что Коп, как он сам отметил, представил в
7

работе о происхождении родов только отрывочные сведения из того,
что ему известно по данному вопросу, потому что занятость другими делами помешала ему представить полную информацию. Эта занятость, вероятно, объяснялась спецификой деятельности Копа в области науки. Он был очень богатым человеком и финансировал свои
исследования, причём не просто финансировал, а нанимал квалифицированных специалистов, не оставляя им прав что-то опубликовать
из полученных ими данных. Он сам, разумеется, мог публиковать всё,
что ему вздумается, и мог даже задержать выпуск контролируемого
им журнала, если по каким-то причинам задерживался с написанием статьи. При этом он имел соперника — О. Марша (Otheniel Marsh,
1831–1899), который занимался примерно тем же самым. Соревнование с соперником стимулировало погоню за количеством научных
трудов (см. Борисяк, 1935; Серебряков, 1935).
Несмотря на занятость, Коп сумел не только высказаться о параллелизмах и происхождении родов, но представил и первые методы
составления таблиц, отражающих разнообразие живых организмов.
Коп составил таблицы трёх типов. Один из них отражает попытку
Копа «измерить кровеносной системой» разнообразие позвоночных
(рис. 1а). По горизонтали в таблицах отмечались части кровеносной
системы, по вертикали — группы позвоночных, а сама таблица заполнялась вариантами строения частей кровеносной системы. «Измерение» заключалось в демонстрации отношений между группами, в
том числе и параллелизмов.
Другой тип таблиц описывал параллельные группы — семейства
ящериц, к примеру. По горизонтали в таблицах отмечались группы
животных, по вертикали — признаки. Таблицы заполнялись наименованиями «подгрупп», то есть групп более низкого таксономического
ранга. Если подходящей «подгруппы» не было известно, то в таблице оставлялись пустые клетки (рис. 1б). В этих таблицах иногда помещались «вложенные таблицы» несколько иного вида (т. е. третий тип
таблиц, рис. 1в). В них появлялись дополнительные горизонтальные
строки, которые вводили дополнительные признаки. В результате «подгруппы» организмов занимали место в системе комбинаций двух признаков. Таким образом появлялось небольшое «пространство возможностей», в которых можно отмечать реально существующие и
несуществующие группы.
Все эти таблицы, к сожалению, оказались довольно громоздкими
и неудобными. По всей видимости, в дальнейшем они мало исполь8

зовались Копом и его последователями. До системы элементов химии им, конечно, далеко, но всё-таки хоть в какой-то степени они
иллюстрируют собой аналогичные поиски в биологии. Основные недостатки таблиц Копа состояли в том, что в них не было общих элементов и они не были наглядными. Клетки в них заполнены самыми
разными объектами — семейства лягушек, роды ящериц, варианты
строения кровеносной системы позвоночных и т. д.
Копом вопрос об «элементах биологии» не ставился, но некоторые
его современники были к этому довольно близки. В 1860-е годы уже
весьма широко проводились исследования, связанные с проблемой
выявления «элементарных частиц» биологии. Как известно, химические вещества, найденные в природе, обычно можно разложить на
составляющие их элементы. Таким же образом и виды можно разложить на составляющие. В середине XIX века французский исследователь Алексис Жордан (Alexis Jordan, 1814–1897) потратил много труда на исследование в данной области. Это привело к тому, что
он стал возмутителем спокойствия систематиков, разделяя виды на
всё большее число «элементарных единиц», которые считал подлинными видами. Виды, которые описывали систематики, он рассматривал как гибриды. Жордан разделил вид весенняя крупка, Draba verna,
сначала на 5 видов, потом на 64, а потом на 200. Со временем в прямой связи с результатами Жордана была разработана концепция гибридизации, согласно которой всё разнообразие организмов является
продуктом гибридизации «элементарных» неизменных видов (Lotsy,
1916). Однако, в основном, опыты по гибридизации проводились в
ином контексте. Со временем они привели к формированию генетики, основные интересы которой постепенно уходили всё дальше и
дальше от обобщений, аналогичных «периодическому закону».
На роль «элементов» биологии могли бы претендовать «архетипы»,
«типы» или «планы строения» — схемы, которая позволяет рассмотреть реально существующие организмы как их вариации. На протяжении второй половины XIX века исследователи этих схем достигли больших успехов. Объём эмпирического материала быстро увеличивался и в связи с этим, увеличивалось количество известных «типов». Некоторые исследователи предшествующего периода считали,
что всё разнообразие животных или растений можно свести всего
лишь к одному типу (Э. Жоффруа Сент-Илер, Йtienne Geoffroy SaintHilaire, 1772–1844; В. Гёте, Johann Wolfgang von Goethe, 1749–1832).
Их противники «скромно» называли небольшое число «типов» — 4
9

а
Рис. 1. Фрагменты таблиц, отражающие отношения между группами животных (в первую очередь, параллелизм), представленные Э. Копом (Cope, 1868, p. 266, 282–284):
а — «Измерение кровеносной системой» разнообразия позвоночных.
10