(История современности. «ХиЖ» 2019 №4)
1 апреля родился Станислав Семенович Шварц (1919–1976) — человек, который сделал экологию в СССР самостоятельной научной дисциплиной. По этому поводу повторяем статью, написанную к 100-летию со дня рождения этого выдающегося советского биолога.
Станислав Шварц родился в украинском городе Екатеринославе (в советское время этот город назывался Днепропетровском, а сейчас — просто Днепр). Вырос в Ленинграде, в среде старой питерской интеллигенции. Его отец погиб, когда мальчик был маленьким. Мать работала переводчицей, а после потери слуха — машинисткой. Активное участие в воспитании мальчика принимали многочисленные дядюшки и тетушки.
В детстве у Станислава было два главных увлечения: биология и спорт. Он занимался в секции бокса, но после травмы семья настояла на прекращении занятий. Благодаря дядюшкам и тетушкам мальчик осваивал иностранные языки: хорошо овладел немецким, английским и французским, немного хуже — польским. После школы поступил на биологический факультет Ленинградского университета. Его учителем был Даниил Николаевич Кашкаров (1878–1941), выдающийся зоолог и эколог, исследователь фауны Средней Азии.
В 1941 году Станислав Семенович ушел добровольцем на фронт. После тяжелого ранения был демобилизован, некоторое время работал зоологом на противочумной станции, а затем занялся научной работой и в 1946 году получил кандидатскую степень. Диссертация была посвящена изучению эффективности защитной окраски насекомых: он сравнивал соотношения особей, по-разному окрашенных, в природе и в желудках питающихся ими животных. В диссертации и в работе, опубликованной в 1948 году, С.С. Шварц показал, что покровительственная окраска хорошо защищает насекомых от многих птиц, а от ящериц и лягушек — гораздо хуже. Отсюда он сделал вывод, что роль лягушек в биоценозах заключается в регуляции численности насекомых, которых не могут регулировать птицы.
После защиты кандидатской диссертации Шварц переехал в Свердловск (ныне Екатеринбург) и начал работать в созданном в 1944 году Институте биологии Уральского филиала АН СССР. Вскоре он стал руководителем группы, а затем и лаборатории. В 1954 году Шварц защитил докторскую диссертацию на тему «Опыт экологического анализа некоторых морфофизиологических признаков наземных позвоночных». Основная цель исследования — выявить легко измеряемые показатели, по которым можно судить о состоянии животного и популяции, частью которой оно является.
Среди показателей, исследованных Шварцем, были веса и размеры отдельных органов — сердца, печени, почек, кишечника, мозга — относительно тела, а также число эритроцитов в крови, активность пищеварительных ферментов и другие параметры, тесно связанные с интенсивностью обмена веществ. В одной из работ Станислав Семенович исследовал около 6000 особей, принадлежащих к 127 видам, в том числе 5 видов амфибий, 5 видов рептилий, 96 видов птиц и 21 вид млекопитающих. Выяснилось, что показатели зависят не только от интенсивности обмена веществ, но и от возраста особей — у высокоподвижных видов они с возрастом, как правило, увеличиваются, а у не слишком подвижных могут и снижаться.
Таким же образом он сравнивал типичные горные и полярные виды — и те популяции обычных для лесной и степной зоны видов, что живут в горах и на Крайнем Севере. Шварц обнаружил, что увеличение жизненно важных органов у чисто горных и полярных видов менее выражено, чем у горных и полярных популяций обычных видов. В экстремальных условиях количество эритроцитов в крови повышено и у внутривидовых форм с более крупными органами, и у специализированных для этих условий видов, но во втором случае оно повышается не так сильно.
На основании этих данных Шварц предположил, что представители видов с широкими ареалами обитания приспосабливаются к экстремальным условиям примитивным способом — увеличивая размеры органов, обслуживающих обмен веществ, и интенсивность кроветворения. А специализированные виды — за счет модификации тканевых, клеточных и биохимических процессов; поэтому им не нужно увеличивать размеры сердца относительно тела.
Похожий эффект Шварц увидел и на более крупных, чем виды, систематических единицах — отрядах, семействах. Лишь немногие виды уток добывают свой корм ныряя, а в отряде поганкообразных, к которому принадлежит, например, чомга, за едой ныряют все виды. Оказалось, что у ныряющих уток больше относительные размеры органов, обеспечивающих более интенсивный обмен веществ, чем у поганок. Поэтому можно предположить, что поганки решают проблемы, связанные с нырянием, за счет большего совершенства биохимических процессов.
Таким образом С.С. Шварц сформулировал представление о «грубых» (изменение размеров органов) и «тонких» (модификация процессов на уровне тканей) приспособлениях и сделал вывод, что грубые приспособления приводят к формированию мелких систематических единиц (подвиды, иногда виды и роды), а тонкие — крупных. В монографии «Некоторые вопросы проблемы вида у наземных позвоночных животных», опубликованной в 1959 году, он приводит многочисленные данные, свидетельствующие о существенных биохимических различиях между близкими видами.
В дальнейшем, уже в 1960-е годы, С.С. Шварц, опираясь на эти представления, сделал еще одну красивую работу. Он сравнил графики, где на оси абсцисс отложен вес тела особи, а на оси ординат — относительный вес отдельных органов (вес органа, деленный на вес тела). Если все взятые точки относились к одному виду, то получалась простая и логичная картина убывающей функции. А если точки относились к разным видам, то картина для рыб и млекопитающих была разной: у млекопитающих получалась такая же убывающая функция, но с большим разбросом точек, а у рыб закономерностей не было выявлено. Шварц объяснил этот факт тем, что биохимические процессы у рыб в меньшей степени стабилизированы и легче меняются при видообразовании. Поэтому грубые приспособления в виде изменения относительных размеров органов им не слишком нужны.
В этих работах видна сильная сторона Шварца — умение делать из анализируемого фактического материала далеко идущие выводы.
В 1955 году Станислав Семенович Шварц становится директором Института биологии Уральского филиала АН СССР. Одним из первых его шагов на этом посту стало создание в институте отдела радиобиологии и биофизики, который возглавил Николай Владимирович ТимофеевРесовский (1900–1981), ранее работавший на Урале в закрытой научно-исследовательской организации. Появление исследователя такого класса подняло на новый уровень весь институт. Тимофеев-Ресовский работал в нем до своего переезда в Обнинск в 1964 году.
Стратегический план С.С. Шварца заключался в том, чтобы превратить руководимый им институт в главный центр экологических исследований в СССР.
Традиционно считалось, что экология должна изучать взаимоотношения организмов с окружающей средой. Экологическими исследованиями занимались преимущественно зоологи и ботаники, специализирующиеся на определенной группе растений или животных. Но в ХХ веке задачи экологии стали понимать шире. Стало понятным, что существуют надорганизменные биологические системы (популяции и биоценозы), свойства которых несводимы к свойствам отдельных организмов. Изучение таких систем и стало главной целью экологии. Эту точку зрения четко сформулировали братья Юджин и Говард Одум в 1953 году в своем фундаментальном учебнике «Основы экологии». На русском языке учебник вышел только в 1975 году.
Учебник братьев Одум изменил отношение к экологии за Западе, показав научной общественности, что экология — это не раздел ботаники и зоологии, а самостоятельная научная дисциплина, имеющая важное теоретическое и практическое значение.
Представления о надорганизменных биологических системах развивались и в Советском Союзе, где существовали мощные научные традиции, заложенные Василием Васильевичем Докучаевым. Так, великий лесовод Владимир Николаевич Сукачев в 1940 году ввел понятие биогеоценоза, а Владимир Николаевич Вернадский разработал теорию биосферы (на Западе аналогичные идеи начал развивать в 1960-х годах Джеймс Лавлок). Однако отечественные исследователи, занимающиеся подобной тематикой, не называли себя экологами.
В 1964 году С.С. Шварц добивается переименования своего института в Институт экологии растений и животных. Это название не вполне удачно: нет отдельных экологий для растений и животных, есть единая экология. Но во времена монополии Т.Д. Лысенко говорить об экологии вне связи с взаимоотношениями организма и среды не рекомендовалось. В 1970 году начинает издаваться журнал «Экология», главным редактором которого становится Шварц. В 1966 году его избирают членом-корреспондентом АН СССР, в 1970 году — академиком. Таким образом, Станислав Семенович Шварц стал первым советским академиком-экологом.
Многочисленные административные обязанности никак не тормозили научную активность С.С. Шварца. Более того, похоже, что они ее даже стимулировали. Невозможно быть крупным научным лидером без стратегического осмысления своей научной дисциплины.
В центре внимания Шварца была популяционная биология. Термином «популяция» в биологии называют группы особей одного и того же вида, обитающие в определенном месте на протяжении по крайней мере нескольких поколений. Одни особи умирают, другие рождаются, но популяция продолжает существовать.
Популяцию можно рассматривать как часть биоценоза. А можно — как наименьшую единицу, в которой возможна биологическая эволюция путем естественного отбора. Границы популяции в первом и втором смысле могут и не совпадать. В первом случае они будут определяться границей конкретного биогеоценоза, во втором — границей территории, в пределах которой происходят достаточно частые контакты между особями, составляющими популяцию. Популяция во втором смысле будет в большинстве случаев существенно крупнее.
Представления С.С. Шварца о том, что такое популяция, отличались от традиционных. Он считал популяциями только группы особей одного вида, населяющие определенную территорию на протяжении множества поколений. Группы, населяющие территорию на протяжении жизней небольшого числа поколений, он называл «микропопуляциями». По представлениям С.С. Шварца, популяция — достаточно большая группа, состоящая из многих микропопуляций. Одни микропопуляции могут исчезать, другие появляться, но популяция в целом сохраняет стабильность. В работе 1972 года С.С. Шварц и его сотрудники описали исследование большой популяции ондатр, состоявшей из нескольких микропопуляций, которые обитали в разных озерах. Судьба микропопуляций складывалась по-разному: одни процветали, другие оказывались на грани вымирания. Тем не менее благодаря миграции ондатр из одного озера в другое ситуация выравнивалась.
В конце 1960-х годов под руководством С.С. Шварца в его институте начали изучать химическую регуляцию численности популяций (точнее, микропопуляций). Итоги этих работ были подведены в монографии С.С. Шварца с соавторами «Эффект группы в популяции водных животных и химическая экология», опубликованной в 1976 году.
В 1928 году Б.П. Уваров, русский энтомолог, после революции переехавший в Великобританию, показал, что при содержании саранчи в искусственных условиях плотность группы влияет на скорость развития, поведение, морфологические особенности насекомых. Отсюда он сделал вывод, что плотность группы организмов — самостоятельный экологический фактор.
Но каким образом организмы ощущают перенаселенность территории себе подобными? Одним из возможных механизмов может быть выделение химических веществ, которые воспринимают другие особи.
В 1958 году эту гипотезу попытался проверить швейцарский зоолог Ф. Ходлер. Он выращивал головастиков в трех аквариумах. В первый поместил 140 головастиков, во второй 14, в третий — тоже 14, но в воде из первого аквариума. Головастики в первом аквариуме росли медленно, во втором и третьем — одинаково быстро. Автор сделал вывод, что количество сородичей на территории воспринимается не через химические вещества. Однако он не увидел альтернативного объяснения, оказавшегося в конце концов правильным: вещества, влиявшие на головастиков, распадались очень быстро.
Шварц и его сотрудники подробно исследовали влияние плотности на рост и развитие головастиков и получили интересные результаты. Прежде всего, нужно было установить «фоновые плотности» головастиков, при которых они не влияют друг на друга. Эти фоновые плотности оказались очень маленькими: не более трех головастиков на трехлитровый аквариум. Десять головастиков в таком же аквариуме расти будут хуже.
Оказалось, что высокая плотность популяции замедляет рост головастиков, но в определенных ситуациях ускоряет их развитие. В результате образуются очень мелкие лягушки, которые выходят на сушу и уже там дорастают до нормальных размеров.
А дальше исследовали взаимодействие между крупными (быстро растущими) и мелкими головастиками. Крупных головастиков выращивали по трое в аквариуме, а мелких — помногу, затем сажали вместе тройку крупных и тройку мелких. При такой сравнительно низкой плотности населения пересаженные мелкие головастики начали умеренно быстро расти, но крупные головастики притормаживали их рост. И здесь авторы получили неожиданный и красивый результат: мелкие головастики, подсаженные к крупным из своей кладки (то есть к братьям и сестрам), росли хуже, чем те, кого пересадили к головастикам из чужой кладки. Существует мнение, что естественный отбор должен поощрять помощь близким родственникам, несущим те же гены, что и ты (и пакости родственникам дальним). А здесь получилось с точностью до наоборот.
С.С. Шварц интерпретировал этот результат как один из механизмов поддержания генетической разнородности популяции. Для популяции это, несомненно, выгодно. Но как такой механизм помощи дальним в ущерб ближним мог появиться в процессе естественного отбора? Аргумент «конкуренции популяций и межпопуляционного отбора», приведенный в монографии, выглядит не слишком убедительным.
А мелкие головастики не только не притормаживают рост крупных, но даже ускоряют его. Это тоже было показано в экспериментах.
Помимо головастиков, исследования по химической регуляции проводились и на мальках рыб, и на личинках комаров. В этих исследованиях было получено немало интересных результатов.
Биологов иногда делят на теоретиков, экспериментаторов и наблюдателей (полевиков). С.С. Шварц был силен во всех трех этих сферах деятельности. Такие исследователи встречаются нечасто.
С.С. Шварц скептически относился к надеждам сохранить нетронутые биогеоценозы на сколь-нибудь значительных территориях, а изменение биоценозов человеком воспринимал как неизбежность. Более того, он считал одной из важнейших задач экологии создание антропогенных биоценозов, не уступающих по своим регуляторным способностям природным. Он даже не любил словосочетание «охрана природы». «На место пассивной работе по охране природы должна прийти работа по созданию оптимальной природной среды, по созданию биогеоценозов, способных к саморегуляции в измененной человеком среде». Утверждение достаточно спорное: далеко не факт, что искусственно созданная природа сможет стать полноценной заменой естественной.
В 1975 году С.С. Шварц выступил с программным докладом «Эволюция биосферы и экологическое прогнозирование» на юбилейной сессии АН СССР, посвященной 250-летию Академии. В этом докладе он анализирует эволюцию биосферы и пытается представить себе ее будущее. Установление гармоничных отношений между человеком и остальной биосферой представляется ему возможным, однако необходимым условием он называет переход к разумному использованию ресурсов внешней среды, проведение экологической экспертизы всех сколь-нибудь крупных проектов.
Уже после смерти С.С. Шварца, в 1976 году, «Вестник АН СССР» опубликовал его статью «Проблемы экологии человека». В этой статье он наметил программу будущих исследований физиологической и популяционной экологии человека, воздействия человечества на природные комплексы.
В начале 1970-х годов Станислав Семенович Шварц прочитал сотрудникам института лекцию «О профессионализме научного работника», где высказал ряд важных мыслей. Вот некоторые цитаты из этой лекции.
Если сравнить профессии инженера, научного работника и художника, то различия между ними можно охарактеризовать так. Посредственный инженер полезен (если он не может проектировать космические корабли, то может проектировать мебель). Посредственный научный работник бесполезен, поскольку он будет повторять то, что уже сделано. Посредственный деятель искусства вреден.
Есть только один критерий, позволяющий определить, чем я должен заниматься: тем, что я могу сделать лучше любого другого научного сотрудника.
Самое трудное в научной работе — это поставить вопросы.
Любую статью нужно уметь написать за один день.
Станислав Семенович Шварц умер 12 мая 1976 года после продолжительной тяжелой болезни. Институт, которым он руководил и который фактически создал, продолжает активно работать и сегодня. Некоторые его подразделения и филиалы стали самостоятельными научными учреждениями: Институт леса в Екатеринбурге, Институт степи в Оренбурге, Институт экологии и генетики микроорганизмов в Перми. Сейчас институтом руководит орнитолог Михаил Григорьевич Головатин.
Весной 2019 года в Екатеринбурге состоялся Международный симпозиум «Экология и эволюция: новые горизонты», приуроченный к столетию со дня рождения С.С. Шварца. В тезисах симпозиума — особенности городских популяций птиц, разнообразие рыб в различных географических зонах, колебания численности и пространственная организация популяций, влияние промысла на жизнь морских котиков… Конечно, с середины ХХ века многое изменилось, взять хотя бы такое направление исследований, как экологическая генетика. Но вопросы, которые впервые поставил С.С. Шварц, по-прежнему актуальны.
Биографический очерк о С.С. Шварце и подборку его статей можно найти на сайте Института экологии растений и животных
Фотографии С.С. Шварца предоставлены ИЭРиЖ УрО РАН
Кандидат биологических наук
С.В. Багоцкий
Купить номер или оформить подписку на «Химию и жизнь»: https://hij.ru/kiosk2024/
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал
– Редакция «Химии и жизни»