Методологические принципы биотехнологии

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

В. И. Курашов

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ 

ПРИНЦИПЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2022

УДК 167/168:663.1
ББК Ю251:28.4

К93

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

канд. биол. наук, доц. Т. И. Абдуллин
канд. филос. наук, доц. С. Р. Гаязова

К93

Курашов В. И. 
Методологические принципы биотехнологии : монография / В. И. Кура-
шов; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. –
Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 84 с.

ISBN 978-5-7882-3201-0

Рассмотрены основные принципы фундаментальной и прикладной биотех-

нологии, составляющие основы научной и инженерно-технической деятельности 
на всех стадиях формирования творческих решений: от постановки фундаментальных 
исследований до их промышленной реализации. 

Предназначена для студентов и аспирантов биотехнологических направле-

ний, а также для научных работников, преподавателей и всех интересующихся 
проблемами естественных наук и современных технологий. 

Подготовлена на кафедре философии и истории науки.

ISBN 978-5-7882-3201-0
© Курашов В. И., 2022
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2022

УДК 167/168:663.1
ББК Ю251:28.4

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ ..........................................................................................................................................4

1. ВЗАИМООБУСЛОВЛЕННОСТЬ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ.......6

2. КЛЮЧЕВЫЕ ЭТАПЫ ИСТОРИИ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ 
БИОТЕХНОЛОГИИ ............................................................................................................................9

2.1. История становления биотехнологии .....................................................................................9

2.1.1. Определение понятия «биотехнология»..........................................................................9

2.1.2. Периоды становления биотехнологии...........................................................................10

2.2. Методологические принципы и их функционирование в биотехнологии........................16

2.3. Взаимодействие биотехнологии с другими областями знания..........................................22

2.3.1. Взаимодействие химии, химической и биотехнологии ...............................................23

2.3.2. Взаимодействие химии, биологии и геологии ..............................................................26

2.3.3. Новые тенденции взаимосвязи биотехнологии и аграрных наук ..............................29

2.4. Классификация и природа экспериментальных методов....................................................30

2.5. Первичное взаимодействие как основа классификации экспериментальных методов........31

2.6. Разнообразие экспериментальных методов исследования биомолекул 
и биохимических процессов .........................................................................................................36

2.7. Триада взаимосвязанных задач биотехнологии...................................................................40

2.8. Принципы модификации биологически активных агентов................................................42

2.8.1. Структура проблемы........................................................................................................42

2.8.2. Искусственный мутагенез, гибридизация и методы генной инженерии....................43

2.9. Система принципов обеспечения продуктивного режима и интенсификации 
процесса ферментации ..................................................................................................................47

2.9.1. Питательная среда и режимы культивирования...........................................................48

2.9.2. Иммобилизация и микрокапсулирование ферментов ..................................................50

2.9.3. Интенсифицирующие факторы физической, химической и биологической 
природы.......................................................................................................................................51

2.10. Биотехнологическое масштабирование от лабораторных исследований 
к промышленной технологии .......................................................................................................57

2.11. Методология аппаратурных решений и инженерные проблемы масштабирования .....59

2.12. Принципы выбора биореактора...........................................................................................61

2.13. Двойственное значение биотехнологии как фактора усугубления и решения 
экологической проблемы ..............................................................................................................66

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................70

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................................................72

В В Е Д Е Н И Е

Научные дисциплины и технологии непрерывно меняются, обога-

щаясь новыми знаниями, включая все новые предметные области. Возникает 
закономерный вопрос: почему же тогда сохраняются такие дисциплины, 
как математика, физика, химия, биология, геология, математическая 
физика, физическая химия, аналитическая химия, биохимия, 
молекулярная биология? Да потому что есть инвариантные составляющие 
как науки в целом, так и отдельных дисциплин, сохраняющие фундаментальные 
основы достигнутого. 

Одной из фундаментальных составляющих любой научной дисци-

плины являются методологические принципы и подходы, то есть методология. 
В силу указанной специфики в настоящем исследовании мы 
опираемся на разные эпизоды истории науки и технологии, которые 
обосновывают или иллюстрируют излагаемые методологические принципы. 
Данная работа сочетает в себе особенности научной монографии 
и учебного пособия. Она также не является обзором новейших достижений 
биотехнологии, потому что автор стремился прежде всего найти 
нечто фундаментальное и непреходящее в биотехнологии и ее познавательных 
методах.

Основная задача издания – представить систему знаний по прин-

ципам, методам, способам, средствам, составляющим основы научной 
и инженерной деятельности на всех стадиях формирования творческих 
решений: от постановки фундаментальных исследований до их промышленной 
реализации. Исходя из этого рассматривается историко-логический 
процесс становления биотехнологии как междисциплинарной 
научно-прикладной области знания и анализируется роль в этом процессе 
взаимодействия естественно-научных и технологических областей 
знания: химии, биологии, аграрных наук, биотехнологии и химической 
технологии. Показываются функционирование общенаучных 
познавательных методов (дополнительности, соответствия, фальсификации, 
редукции и контрредукции, моделирования), целостного и системного 
подходов и возможности общенаучной дисциплины «гносео-
динамика». Дается анализ и классификация экспериментальных и теоретических 
естественно-научных исследовательских методов. Анализируется 
и конкретизируется понятийно-терминологический аппарат 
биотехнологии. Рассматриваются принципы перехода от научно-лабо-

раторных исследований к инженерно-технологическим решениям: популяционный 
подход, масштабирование, выбор биореактора и способов 
культивирования.

При написании монографии автор использовал свой многолетний 

практический опыт работы с аспирантами различного профиля, среди 
которых есть математики, физики, химики, биологи, медики и специалисты 
аграрных наук. С каждым годом темы исследовательских работ 
аспирантов, представляющие различные области естествознания, оказываются 
все более взаимосвязанными с медико-биологическими и аграрными 
науками. Этот факт новейшей истории науки, то есть науки 
наших дней, свидетельствует о том, что проблема познания человека 
и его жизнеобеспечения (иначе говоря, антропология в широком 
смысле этого понятия) вновь становится центральной. 

Автор надеется, что предлагаемое издание окажется полезным для 

студентов и аспирантов биотехнологических направлений. Данная монография 
также будет интересна и всем интересующимся проблемами 
естественных наук и современных технологий, так как содержит богатый 
фактический материал для дальнейшего развития методологических 
аспектов биотехнологии с точки зрения панорамного их видения 
на уровне философско-методологических подходов.

Все замечания и предложения, касающиеся содержания книги,

можно присылать по электронной почте: v.kurashov@mail.ru

1 .  В З А И М О О Б У С Л О В Л Е Н Н О С Т Ь  Р А З В И Т И Я  

Е С Т Е С Т В О З Н А Н И Я  И  Т Е Х Н О Л О Г И И

Следует принять во внимание, что в ряде интегративных областей 

естествознание и технику вместе с технологией разделить невозможно. 
Например, в химических лабораториях получают продукты (вещества) 
в многостадийных процессах. Знание о способе получения соответствующего 
продукта есть не что иное, как технология. Обычно, когда обсуждают 
проблемы технологии, подразумевают технологию промышленных 
производств. При этом не следует забывать, что в англоязычной 
литературе понятия «техника» и «технология» обычно используются 
как понятия, совпадающие по значению и смыслу, причем наиболее 
употребительным является слово technology (технология).

История естествознания и техники свидетельствует, что естество-

знание и техника (включая технологию) развивались не только в результате 
двусторонних процессов передачи знаний и проблем, но 
и независимо друг от друга. Здесь достаточно указать на успехи достижения 
в области техники и технологии в Средневековье, которые были 
достигнуты без участия научно-философского знания: получение сплавов 
металлов, красителей и мастик; создание и усовершенствование водяных 
и ветряных мельниц, компаса, печатного станка, разнообразных 
печей, а также техники в области строительства зданий, морских судов
и др. В этот же период были разработаны технологии очистки металлов 
и разделения веществ перегонкой. Но в отличие от философии и умозрительных 
наук техническое развитие в это время шло непрерывно 
и поступательно. На основании осмысления истории науки и техники 
могу сказать, что в этот период было законсервировано именно естествознание 
в силу абсолютного авторитета идей Аристотеля, а не религиозных 
догматов. История техники в эпоху Возрождения также демонстрирует 
неуклонное ее поступательное развитие. 

Словом, кризисы и революции в развитии и становлении знаний –

это события, которые преимущественно сопровождают достижения 
науки, а не техники и технологии.

Приведу еще примеры развития науки и техники в XX–XXI вв., 

которые показывают взаимодействие (а не только одностороннее действие) 
научных и технических знаний. Так, термодинамика зародилась 
и развивалась как термодинамика тепловых машин, т. е. как техниче-

ская термодинамика. Также и проблемы передачи информации телеграфом 
во многом обусловили становление теории информации, а изобретение 
самого телеграфа как технического устройства было обусловлено 
развитием физики электричества. Биотехнология и генная инженерия 
развивались в органичном единстве и представляют собой область синтеза 
технологии и естествознания. 

Естествознание развивается по многим направлениям как искус-

ство для искусства, то есть не только для того, чтобы обслуживать социальные 
заказы на технические устройства и новые промышленные 
технологии. 

Методология, теория, эксперимент и собственно знание в есте-

ственных науках находят применение в первую очередь для познания 
тех же естественных объектов в той же предметной области, но на новом 
уровне или в более широком предметном ракурсе. 

Технология и техническое творчество также не всегда опирались 

и опираются на естественно-научные знания. Если, например, по отношению 
к предмету технологии подобные знания отсутствуют, то в этом 
случае технология совершает «туннельный переход» через барьер еще 
не состоявшегося в этой области естественно-научного незнания, опираясь 
на свои собственные творческие ресурсы (интуицию, опыт, эмпирические 
правила и аналогии), в этом она сродни искусству. 

Полезно отметить, что технология и искусство в современном 

смысле этих слов разделились, но окончательно это произошло не так 
давно. Здесь уместно напомнить высказывание М. В. Ломоносова из его 
лекции «Слово о пользе химии»: «Учением приобретенные познания 
разделяются на науки и художества. Науки подают ясное о вещах понятие 
и открывают потаенное действие и свойств причины; художества 
к приумножению человеческой пользы оные употребляют. Науки довольствуют 
врожденное и вкорененное в нас любопытство; художества 
снисканием прибытка увеселяют. Науки художествам путь открывают; 
художества происхождение наук ускоряют. Обои общею пользою согласно 
служат». Судя по контексту лекции, Ломоносов относил к «художествам» 
все сферы по созданию искусственных объектов – как материально-
практических, так и духовно-эстетических. Это понятно из 
следующих его слов: «Между художествами первое место ...имеет металлургия, 
которая учит находить и очищать металлы и другие минералы. ...
Ибо металлы подают укрепление и красоту важнейшим вещам,
в обществе потребным. Ими украшают храмы Божии и блистают мо-
наршеские престолы, или защищаются от нападения неприятельского, 

или утверждаются корабли и, силою их связаны, между бурными вихрями 
в морской пучине плавают» [79]. 

Современная наука и техника демонстрируют преимущественно 

взаимообусловленность знаний. Хороший пример взаимодействия 
естествознания и техники (технологии) представляют интегративные 
области с активным функционированием химических знаний. Современная 
химия в ее научной лабораторной части становится все более 
и более технологичной, а современная промышленная технология – все 
более и более научной. Понятие «высокие технологии» отражает эту 
тенденцию – ведь среди направлений современной химии, химической 
технологии и интегративных областей естествознания и техники едва 
ли не каждый день выделяются все новые и новые области специализации 
научной деятельности [69, 71–73]. 

С активным участием химических знаний разрабатываются 

и функционируют многие прикладные области: каталитические технологии; 
энерго- и ресурсосберегающие технологии; мембранные технологии; 
технологии разнообразных продуктов на основе молекулярной 
микроэлектроники; технологии создания молекулярных компьютеров; 
интегративные технологии, сочетающие физические, химические, ферментативные 
и микробиологические стадии получения целевого продукта; 
аддитивные и нанотехнологии.

2 .  К Л Ю Ч Е В Ы Е  Э Т А П Ы  И С Т О Р И И  

И М Е Т О Д О Л О Г И Ч Е С К И Е  П Р И Н Ц И П Ы

Б И О Т Е Х Н О Л О Г И И

2 . 1 .  И с т о р и я  с т а н о в л е н и я  б и о т е х н о л о г и и  

2 . 1 . 1 .  О п р е д е л е н и е п о н я т и я  « б и о т е х н о л о г и я »

Прошлый и нынешний века характеризуются непрерывным рас-

ширением биотехнологических исследований, смежных с биотехнологией 
естественных наук и промышленных технологий, а вместе с этим –
соответствующим наращиванием объема и номенклатуры биотехнологических 
производств. Это связано с задачами получения лекарственных 
препаратов, диагностических и аналитических средств, пищевых 
и кормовых продуктов, агентов биологически активной трансформации 
ксенобиотиков, биопрепаратов для сельского хозяйства, полимеров 
и материалов, в том числе компонентов моющих средств.

Существует множество определений понятия «биотехнология», 

при этом нужно иметь в виду, что в одно краткое определение невозможно 
вместить любую крупную область научно-технологического 
знания. Поэтому ограничимся определением из Википедии: «Биотехнология (
от др.-греч. βίος – жизнь; τέχνη – искусство, мастерство, способности; 
λόγος – слово, смысл, мысль, понятие) – дисциплина, изучающая 
возможности использования живых организмов, их систем или продуктов 
их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также 
возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами 
методом генной инженерии».

На основании анализа истории, современного состояния и разно-

образных направлений биотехнологии приведем также рабочее определение: 
биотехнология – научно-прикладная область знания, отрасль 
технологии и промышленного производства, основывающаяся на использовании 
биологической активности природных или модифицированных 
методами селекции и генной инженерии живых организмов

(животных, растений, микроорганизмов, клеточных культур, субклеточных 
надмолекулярных и молекулярных составляющих, а также иммобилизованных 
биомолекул и клеток) для получения продуктов потребления 
и социально значимых результатов. 

К настоящему времени биотехнология сформировалась в особую 

учебно-научно-производственную систему, включающую мероприятия 
по подготовке и переподготовке кадров, проведению специальных 
научных исследований и инженерно-технологических разработок, комплекс 
биотехнологических производств и биоочистных сооружений. 
Именно в наши дни биотехнология перешла на этап самосознания (рефлексии) 
предмета, методов, целей, языка, дисциплинарной организации, 
т. е. в область разработки собственной методологии. 

В целом можно констатировать, что при большом числе публика-

ций монографии, содержащие системное изложение философско-методологических 
основ биотехнологии, – явление редкое. Особенностью 
данной работы является то, что часть ее содержания отражает собственные 
исследования и публикации автора, а также опыт чтения лекционного 
курса по методологическим вопросам биотехнологии. 

Биотехнология относительно недавно стала выделяться как само-

стоятельная область научно-технической деятельности. Сам термин 
«биотехнология» вошел в научный оборот в 1970-е гг. До этого времени 
области, которые бы сейчас назывались биотехнологическими, определялись 
как техническая биохимия, промышленная микробиология
и прикладная биохимия. 

2 . 1 . 2 .  П е р и о д ы  с т а н о в л е н и я  б и о т е х н о л о г и и

В литературе обычно выделяют четыре периода истории развития 

биотехнологии: эмпирический (начиная с древнейших времен), этиологический (
со второй половины XIX в.), биотехнический (середина 
XX в.) и генно-технический (с 1970-х гг.). Также используют следующую 
периодизацию: допастеровская эра (до 1865 г.), послепастеровская 
эра (1866–1940 гг.), эра антибиотиков (1941–1960 гг.), эра управляемого 
биосинтеза (1961–1975 гг.), эра новой биотехнологии (после 
1975 г.).

Следует иметь в виду, что любой исторический процесс может 

быть представлен множеством версий периодизации и все они будут 
иметь право на существование, если соответствуют историческим фактам. 
На основании изучения биотехнологии и ее пограничных областей 
я предлагаю свою версию с пятью периодами без наименования каждого 
из них, но с краткой содержательной характеристикой каждого.

Первый период – биотехнология как чисто промышленное ре-

месло, или протобиотехнология, зародившаяся в древности: виноделие 
(спиртовое брожение), приготовление кисломолочных продуктов (молочнокислое 
брожение), приготовление хлебопекарских дрожжей, выщелачивание 
металлов из руд. Эта многовековая промышленная деятельность 
вплоть до конца XIX в. основывалась на чистой эмпирии без 
знания «живой» микробиологической природы процессов.

Второй период связан с развитием исследований ферментатив-

ного катализа и зарождением микробиологии во второй половине
XIX в., когда Луи Пастер провел первое исследование спиртового и молочнокислого 
брожения и доказал, что главными агентами этих процессов 
являются микроорганизмы (1857 г.).

На протяжении XVIII–XIX вв. биология еще не дошла до рассмот-

рения живых организмов на молекулярном уровне, уровне химических 
процессов, поэтому химические исследования живых объектов проводились 
только химиками и на основании традиционных подходов химии. 
Здесь можно назвать такие работы, как «Химия в приложении 
к земледелию и физиологии» Ю. Либиха (1840 г.), «Очерк химической 
статики организованных веществ» Ж. Дюма (1841 г.), учебник «Курс 
физиологической химии» А. И. Ходнева (1847 г.), «Иммунохимия» 
(1907 г.) и «Количественные законы биологической химии» (1915 г.) 
С. Аррениуса и многие другие. 

Названная односторонняя тенденция обусловливала редукцию 

биологического знания к химическому и чисто аналитическому химическому 
исследованию сложнейших по природе биологических процессов. 
В то же время такая ориентация была неизбежна в силу различия 
предметов химического и биологического знаний в названный период. 

С конца XIX в. (Э. Фишер и др.) была установлена пептидная при-

рода белков и белковая природа ферментов. В свою очередь, Л. Миха-
элис и М. Ментен разработали первую кинетическую теорию действия 
ферментов, что обусловило развитие взаимодействия биохимии, химической 
физики и физической химии. В этот же период была обнаружена 
живая природа ферментов, функционирующих как организованно