А. Ю. Целлариус

Нескучная биология

Художники: И. М. Магид, О. А. Герасина, К. В. Макаров, Т. С. Проказина, О. П. Багина, Е. Ю. Бакун, А. Е. Бринев, Н. В. Бурнашева, Е. А. Журавлев, Е. А. Коблик,С. В. Крускоп, С. В. Наугольных, В. А. Полевод, Ю. А. Станишевский

© Целлариус А. Ю., текст, 2017

© ООО «Издательство АСТ», 2017

Предисловие

Интерес к живым существам возник задолго до появления человека, еще в те далекие времена, когда впервые возник более или менее сложный мозг. Не только обезьяны, кошки и собаки, но даже мыши и ящерицы интересуются другими живыми существами гораздо больше, чем камнями, луной, звездами и облаками. У нашего далекого волосатого предка интерес ко всему живому наверняка был еще сильнее, хотя бы потому, что мозг у него был получше мышиного, и он понимал, что он тоже живое существо. Интерес этот не ограничивался чисто практическими соображениями. Только благодаря неуемному любопытству человек стал человеком. Посмотрите на себя. Что, вы купили эту книгу, чтобы лучше подготовиться к экзаменам? Или блеснуть эрудицией? Или научиться лечить прыщи? Да нет, вам просто «интересно».

Эта книга – не учебник биологии и не пособие для подготовки к экзаменам (хотя и в этом качестве она может оказаться небесполезной). Мы просто попытаемся рассказать вам об основных законах, управляющих жизнью на Земле, и о некоторых живых существах, как малоизвестных, так и хорошо знакомых, но от того не менее удивительных. Подробно рассказать о такой широкой области знаний, как биология, в одной книге просто невозможно. Что-то пропущено, по чему-то взгляд только скользнет, не задерживаясь. Но если ваш интерес к живому не насытится, а только возрастет – значит, все в порядке.

Кое-что о жизни вообще

Странная планета

Если бы существовал некий бесплотный дух, странствующий во Вселенной и мыслящий во вселенском масштабе, то наша Земля должна была бы вызвать у него недоумение. Вроде бы планета как планета, довольно заурядная, вертится себе, понемногу остывая. Состоит, в основном, из добропорядочных твердых веществ, каких и на других планетах пруд пруди. Но! Во-первых, почти все впадины планеты заполнены жидкой водой. Это уже огромная редкость, на большинстве других планет воды мало и она или газ (пар), или твердое вещество (лед). Жидкая вода – универсальный и очень агрессивный растворитель. Во-вторых, в атмосфере планеты полно чистого кислорода. Это уже вообще ни в какие ворота не лезет. Кислород тоже штука очень агрессивная, реагирует чуть ли не со всем на свете и на большинстве планет в чистом виде почти отсутствует, а входит в состав сложных веществ, оксидов. Все это говорит о том, что на поверхности планеты идут какие-то странные химические реакции.

Чтобы обнаружить на планете жизнь, вселенскому духу пришлось бы воспользоваться хорошим микроскопом. Это сами себе мы кажемся такими большими и значительными. Но в масштабах не только вселенских, но даже планетарных, мы простым глазом неразличимы. Если представить Землю шаром с диаметром двадцать метров (согласитесь, внушительное сооружение), то глубина земных океанов в среднем будет около пяти миллиметров, самые глубокие океанские впадины и самые высокие горы – около полутора сантиметров. Так, небольшие шероховатости. А пленка жизни на поверхности этого шара окажется вещью совершенно микроскопической, ни на глаз, ни на ощупь вы эту пленку не обнаружите, ну разве что цвет поверхности планеты будет местами зеле-новатым. Однако эта пленка состоит из огромных, по сравнению с любым другим веществом, и очень сложных молекул. Молекулы организованы в головоломные, но строго упорядоченные комплексы, и в этом микроскопическом слое идут совершенно необычные, очень бурные и стремительные химические реакции. И что особенно странно, реакции не замедляются, и количество гигантских молекул практически не меняется, хотя при такой химической активности весь реагирующий материал должен очень быстро израсходоваться и поверхность планеты должна прийти в тот разумный и приличный вид, какой имеют все остальные планеты такого типа.

Во вселенском масштабе жизнь – это, прежде всего, очень странный, совершенно невероятный химический процесс. Всякие другие странности, вроде устройства отдельных комплексов молекул и их поведения, на этом фоне просто теряются. И изобретенный нами вселенский дух, скорее всего, никогда бы не узнал, что эта микроскопическая пленка состоит из кошек, собак, людей, деревьев и инфузорий, что они спят, охотятся и играют, что-то любят, а чего-то терпеть не могут.

Химические процессы, из которых, собственно, жизнь и состоит, изучает раздел биологии – биохимия. Хотя бы самое минимальное представление о ней стоит иметь любому биологу, даже если он занимается изучением семейной жизни бенгальских тигров. Давайте коснемся этой науки и мы.

Четыре кита

Основу любого живого организма составляют четыре группы веществ: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и жиры, точнее – липиды. Первые две группы веществ имеют очень крупные молекулы. И молекулы эти состоят не из простой углеродной цепочки, а из последовательности сложных звеньев. Эти звенья повторяются в цепи в определенном порядке. Вся макромолекула называется полимером, а ее звенья – мономерами.

В белках и нуклеиновых кислотах последовательность мономеров не только определяет форму молекулы и ее химические свойства. Она еще служит кодом, несущим определенную информацию. И этот код определяет все процессы, идущие в живом организме. А вот углеводы (поли-меры сравнительно простые) и липиды (которые вовсе не полимеры) хранителями информации не являются.

В состав всех живых организмов входят: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, натрий, калий, кальций, хлор, магний, железо, медь, марганец, цинк, кобальт. Некоторые эксцентричные существа включают в себя кремний, йод, бор и прочие изыски. Но таких сравнительно немного. Асцидии, наши дальние родственники по типу хордовых, выделяют из морской воды и накапливают в своем организме довольно редкий элемент ванадий.

При всем огромном разнообразии живущих на Земле организмов биохимические процессы, происходящие в них, на удивление сходны. Сходны живые существа и по химическому составу. С точки зрения биохимика, амеба практически ничем не отличается от нас с вами. Даже растения и животные, существа с разным способом получения энергии, во многом подобны. Сильно уклоняющиеся формы встречаются только среди бактерий, самой древней группы живых существ, от которой, вероятно, произошли все остальные формы жизни.

Говоря о четырех китах, на которых держится жизнь, мы следовали биохимической традиции. На самом деле этих китов пять, и пятый из них – простая вода. Всякий живой организм больше чем наполовину состоит из воды. Вода служит транспортным средством, доставляющим из одной части организма в другую необходимые вещества. Вода участвует во многих биологических процессах и как самостоятельный активный элемент, и в качестве растворителя.

С точки зрения биохимика, амеба, орхидея (любка) и человек почти не отличаются

Еда, скелет и броня

Если рассматривать углеводы только с точки зрения их состава, то оказывается, что, кроме углерода, в них присутствуют водород и кислород, причем в том же соотношении, что и в воде. Общая формула углеводов – Сх(Н_2О)у, они как бы состоят «из угля и воды», почему и получили такое название. Углеводы могут образовывать простые цепочки, ветвящиеся цепочки, могут складываться в кольцевые структуры. Роль их в химической кухне организма велика и разно-образна.

Углеводы, которые не полимеры и состоят из простой цепочки (или кольца), называются сахарами. Они имеют сладкий вкус, и их название всегда оканчивается на «-оза» – рибоза, сахароза, глюкоза, фруктоза. Правда, такие есть и среди других углеводов, например, целлюлоза, которая сахаром никак не является. Почему она имеет такое же окончание? – вопрос к химикам.

Сахара могут служить источником энергии, организм расщепляет их на составные части и использует для самых разных целей энергию их химических связей. Но не менее важная их роль – участие в синтезе многих необходимых организму соединений.

Сахара и их «кусочки» используются при сборке многих ферментов, нуклеиновых кислот, в том числе ДНК. Используются сахара и для синтеза полимерных полисахаридов, в которых они выступают в качестве мономеров.

Углеводы: 1 – глюкоза; 2 – простая цепочка молекул глюкозы; 3 – цепочки глюкозы, соединенные водородными связями (целлюлоза)

Полисахариды выступают в основном в двух качествах. Это или запас пищи, или одновремен-но опора и защита. Запасами пищи обычно служат крахмал (у растений) или гликоген (у животных). И то и другое – ветвящиеся цепочки из глюкозы, но отличающиеся по размеру и форме. И то и другое откладывается организмом про запас, причем иногда в большом количестве. В случае нужды они служат одновременно источником энергии, которая выделяется, когда их молекулы «рвут на части», и источником строительного материала.

Деревянное оружие полинезийцев

Другой полисахарид: целлюлоза – широко распространена преимущественно в растительном мире. Она тоже – полимер глюкозы, но расщепляется крайне тяжело. Обидно: целлюлозы в мире огромное количество, но использовать ее для еды удается только немногим организмам, у которых есть редкий фермент – целлюлаза. Из целлюлозы строятся клеточные стенки растений и некоторых микроорганизмов. В клеточных стенках сосудистых растений целлюлоза сочетается с лигнином – тоже полимером, но не сахаров, а фенолоспиртов. Лигнин, которого немногим меньше целлюлозы, вообще не усваивается никем, кроме некоторых грибов и бактерий. Штука это не только химически устойчивая, но и очень прочная. Из твердых пород деревьев (а древесина – это и есть сочетание целлюлозы с лигнином) в старину на островах Тихого океана, где не было подходящего камня, делали боевые мечи и кинжалы.

У животных целлюлозы и лигнина не бывает (исключение составляют асцидии, «туника» которых включает в свой состав целлюлозу), но у них бывает хитин, тоже полисахарид (правда, в его состав входит еще и азот) и тоже очень прочный. Из хитина строят свои панцири жуки, крабы и многие другие беспозвоночные.

Основа основ

Белок – основа любого живого организма. Если убрать из организма воду, то больше половины сухого остатка будет белком. Все белки – полимеры, состоящие из цепочки аминокислот. В состав белка, кроме вездесущих углерода, водорода и кислорода, всегда входит азот, на это указывает приставка «амино». Обнаружив это сочетание в названии любого вещества, можете быть уверены, что в него входит азот в соединении с водородом, так называемая NH_2—группа. В состав белка часто входят и другие элементы, в частности – сера. Известно более десятка тысяч различных белков, и все они состоят только из двух десятков аминокислот, соединенных в разной последовательности.

Перечислить все, чем занимаются белки в живом существе, очень непросто. Почти нет процессов, в которых белки бы не участвовали.

Какие только функции не выполняют белки!

Из белков формируются опорные ткани – связки, сухожилия, хрящи, а в сочетании с известью – кости. Из белка кератина состоят волосы, перья, когти, рога, чешуи рептилий. Белки служат смазкой и увлажнителем – различные слизистые выделения. Разбухая, белки удерживают воду и служат «гидроскелетом» клетки. Все ферменты и многие гормоны – белки. Антитела, ответственные за иммунитет, – тоже белки. Из белковых молекул, способных скользить друг по другу, состоят волокна мышц. Белки служат транспортным средством: захватывают определенные молекулы и переносят их к месту назначения. Например, всем известный белок гемоглобин транспортирует кислород. Ну и, кроме всего прочего, белки служат пищей, хотя это вовсе не главная их функция. Собственные белки организм без крайней нужды на такие примитивные цели старается не расходовать, это все равно, что забивать гвозди микроскопом. Думаю, уже ясно, что Фридрих Энгельс недаром назвал жизнь способом существования белковых тел.

Память поколений

На фоне великого множества разнообразных белков нуклеиновые кислоты выглядят бедными родственниками – их существует всего две разновидности: ДНК (дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая). Но роль этих двух соединений не уступает роли всех белков, вместе взятых. Именно в них зашифрована информация о том, какие белки, в каком количестве и при каких условиях будут синтезироваться в данной живой клетке. И именно они отвечают за «сборку» нужных белков из аминокислот.

Нуклеиновыми кислоты названы потому, что первоначально были выделены из клеточного ядра, а ядро по-латыни – нуклеус.

В свое время биохимикам пришлось немало поломать голову, прежде чем удалось выяснить, как нуклеиновые кислоты устроены. И выяснилось, что устроены они сравнительно просто.

Представьте себе две цепочки или лучше – два стержня, каждый из которых состоит из чередующихся остатков сахара (рибозы) и фосфорной кислоты. Заверните эти стержни спиралью и соедините стержни поперечинами. Получится эдакая закрученная лестница. Поперечины, ступеньки лестницы, состоят каждая из двух азотистых оснований. Всего этих оснований четыре: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Каждая ступенька состоит или из гуанина и цитозина, или из аденина и тимина. Составить ступеньку, скажем, из цитозина и тимина не удастся, в этом случае она просто «не влезет» в пространство между стержнями. Ступеньки присоединяются всегда к противолежащим остаткам сахара. Благодаря тому, что остатки сахара чередуются с остатками фосфорной кислоты, между ступеньками и образуются промежутки. Каждая ступенька может быть присоединена к стержню как тиминовым (гуаниновым) концом, так и противоположным – адениновым (цитозиновым). Вот и все разнообразие: по сравнению с белком кажется негусто.

Строение ДНК: 1 – нуклеотиды; 2 – воображаемая ось молекулы; 3 – цепочки из дезоксирибозы и остатков фосфорной кислоты

Тем не менее, в последовательности ступенек зашифрована практически вся биохимическая информация об организме. И какие белки и прочие вещества входят в его состав, и как должны идти процессы синтеза, и как используется энергия, и как регулируются и сочетаются все эти процессы. В конечном итоге от этой информации зависит и из каких клеток этот организм состоит, и в какой последовательности формируются различные ткани и органы при развитии, короче – как этот организм устроен.

Молекулы нуклеиновых кислот каждого вида организмов: мухи, ежа, амебы или кокосовой пальмы хранят информацию о результатах миллионов лет уникального исторического развития. Но особенность такой молекулы заключается не только в том, что она хранит информацию. Эта лестница способна воспроизводить точнейшие копии самой себя. В какой – то момент на конце лестницы ступеньки начинают рваться пополам, и спирали расходятся. Каждая спираль с обломками ступенек настраивает недостающие половинки ступенек и второй «стержень». Недостающие элементы она черпает из так называемого нуклеотидного фонда – «плавающих» в окружающем растворе остатков рибозы, соединенных с остатком фосфорной кислоты и с одним из азотистых оснований. Такие кусочки, независимо от того, входят они в состав лестницы или существуют сами по себе, называются нуклеотидами. Нуклеотиды бывают четырех типов соответственно четырем типам оснований.

В результате расщепления с последующей достройкой (этот процесс называется репликацией) лестница дублируется, и дублируется вся информация, которая в этой странной молекуле содержится. Именно на этом дублировании, которое обеспечивает преемственность поколений, и держится вся жизнь на планете.

Липиды

Липиды – группа соединений, очень разно-образных по своим свойствам и строению. Липиды – это продукт объединения какого-либо из спиртов с так называемыми жирными кислотами. «Настоящий» липид – это фактически спирт, где к каждому атому углерода, кроме всего прочего, «прицеплен» остаток кислоты. Но биохимики включают в это семейство и некоторые другие вещества, которые, по сути, продукт того же союза – спиртов и кислот, но в этом конечном продукте уже не удается различить структуру ни того, ни другого.

Формула молекулы фосфолипида: 1 – остаток жирной кислоты; 2 – остаток глицерина; 3 – остаток фосфорной кислоты

То, что мы привыкли называть жиром, – это соединения, имеющие в основе трехатомный спирт глицерин. В зависимости от того, какого рода кислоты объединились с глицерином, эти жиры будут или тугоплавкими (собственно жиры), или легкоплавкими и при комнатной температуре жидкими (такие принято называть маслами). Главная роль всех глицеролов (это еще одно название жиров) – запасание энергии на черный день. Окисление одного грамма жира дает в несколько раз больше энергии, чем окисление одного грамма углевода. Правда, есть у липидов один недостаток – они не растворимы в воде. Это значит, что запасы нужно либо откладывать прямо там, где они потом будут использоваться, либо окислять жир, а потом каким-то образом транспортировать энергию. Углеводы же растворяются в воде и легко транспортируются «со склада» к месту использования. Поэтому углеводы – резерв быстрого реагирования, а для мобилизации жиров организму нужно какое-то время.

Очень часто жиры служат резервом не энергии, а воды. Вода – один из продуктов окисления жиров, причем получается ее довольно много, вдвое больше, чем при окислении углеводов. А окисление белков вообще воды не дает, наоборот, требует ее для выведения продуктов распада. В частности, поэтому организмы не любят использовать белки в качестве источника энергии. У многих пустынных животных запасы жира служат именно источником воды. Жир верблюжьих горбов, кроме всего прочего, – своего рода фляга с водой. Точно такую же роль выполняет курдюк овцы, отложения жира в хвостах многих пустынных грызунов и ящериц. Кстати, вода получается не только при окислении жиров, но и при их синтезе.

А для многих животных жир служит не столько источником воды или энергии, сколько термоизоляцией. Все теплокровные животные, которые живут или на Севере, или в воде (теплоотдача в воде очень высока), имеют весьма основательный, равномерно распределенный под кожей по всей поверхности тела слой жира.

Гренландский кит. Толщина подкожного жирового слоя у этого жителя Ледовитого океана местами превышает полметра!

Воска – тоже липиды, в основном на основе спиртов с длинными углеродными цепочками. Вырабатываются они не только пчелами, но и многими животными и растениями. Используются главным образом для создания водонепроницаемых покрытий. Причем не столько для того, чтобы не пустить воду внутрь, сколько для того, чтобы не давать организму испарять влагу без особой нужды. Восковым налетом покрыты листья растений, у пустынных растений этот слой особенно толстый. Восковым налетом покрыты тела большинства наземных членистоногих – для мелких животных высыхание особенно опасно. У некоторых пустынных жуков восковое покрытие настолько толстое, что воск с них можно собирать, буквально соскребая ногтем.

Стероиды и терпены относятся к классу липидов, у которых структура первоначальных компонентов никак себя не проявляет. Некоторые из них являются гормонами или ростовыми веществами, к стероидам относится витамин D, терпенами являются многие ароматические вещества, например ментол, знакомый всем любителям жевательной резинки. Некоторые из них – пигменты, а это вещества, ответственные не только за окраску, но и за фотосинтез. Мы говорили, что липиды не бывают полимерами. Но это относится только к липидам «настоящим». Среди терпенов полимеры встречаются – каучук из их числа.

Клеточная мембрана: 1 – двойной слой фосфолипидов; 2 – белки; 3 – углеводы, связанные с белками

Но самые интересные и самые важные липиды не относятся ни к жирам, ни к воскам, ни к стероидам или терпенам. Это фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины. Первые – это заурядные липиды, содержащие фосфатную группу. Гликолипид – продукт соединения липида с углеводом, а липопротеин – с белком. Все три образуют клеточные мембраны, а это штука, которая выполняет работу необыкновенной важности. Без мембран существование клетки невозможно. Причем мембрана – это не просто тот «пузырь», который не дает содержимому клетки растекаться. Задача ее гораздо сложнее: она должна выпускать из клетки одни вещества и пропускать внутрь совсем другие.

Вещество и энергия

Весь сложнейший комплекс биохимических реакций, которые идут в живом организме, называется обменом веществ, или метаболизмом. При этом суть метаболизма довольно проста. Вещества, получаемые из внешней среды, разбираются на кусочки, из этих кусочков собираются нужные детали, отходы ремонтных работ – стружки, опилки, обломки старых деталей – из организма выбрасываются (если их нельзя тоже пустить в дело). Пока мы живем, вся эта биохимическая машина не останавливается ни на секунду. В ходе всех этих превращений энергия поглощается (на одних этапах) и выделяется (на других). Вопрос – откуда организм эту энергию получает и каким способом?

Источником энергии у всякого организма, без исключения, является процесс дыхания. Мы привыкли называть дыханием обмен воздуха в легких, который обогащает кровь кислородом и удаляет из организма углекислый газ. Но упертые биохимики и физиологи называют этот процесс газообменом. Дыханием же называют процессы окисления органических веществ. В ходе этих процессов выделяется приличное количество энергии. Горящий костер – всем известный процесс окисления целлюлозы, идущий с выделением света и тепла.

Окисление – это процесс отъема у вещества электронов. То вещество, у которого электроны изымаются, называется дыхательным субстратом. Но можно называть его и просто топливом (только не в присутствии биохимика). Наиболее распространенным и удобным топливом являются глюкоза и жир. Коль скоро дыхание – процесс отъема электронов, то понятно, что одного дыхательного субстрата для того, чтобы дышать, мало. Нужно еще что-то, что будет эти электроны отнимать: окислитель или, выражаясь уж совсем на языке химиков, акцептор электронов. В большинстве случаев окислителем является кислород, и тогда говорят об аэробном дыхании.

Существует, однако, на свете масса мест, где свободного кислорода не найти или его очень мало. Например, в глубинах почвы, в донных отложениях, в нашем с вами кишечнике, в конце концов. Организмы, живущие в таких условиях, пользуются дыханием анаэробным. В качестве окислителя они используют не кислород, а другое вещество, способное к отъему электронов у субстрата, например трехвалентное железо или нитраты. Анаэробное дыхание менее выгодно, топливо при этом «сгорает» не полностью, а образующиеся «шлаки» сплошь и рядом тормозят метаболизм. И имейте в виду, что на самом деле все в сотни раз сложнее, чем вы можете подумать, читая наше предельно упрощенное описание. В процесс дыхания входят десятки головоломных реакций, в которых участвуют десятки ферментов.

Энергия, образующаяся в процессе дыхания, не используется напрямую. Она запасается в особых молекулах – молекулах аденозинтрифосфорной кислоты. Выговорить это слово без запинки удается не всякому биохимику, и поэтому молекулу называют просто АТФ.

Самообслуживание

Среди живых существ очень много таких, которые, не напрягаясь, используют готовую органику. Их называют гетеротрофами, и к ним принадлежим и мы с вами, и зайцы, и тигры, и амебы, и множество других существ. И все они живут за счет организмов, которые научились готовить питательные вещества сами, из простых, повсюду довольно обильных минеральных соединений. Эти умельцы называются автотрофами, и к ним относятся все зеленые растения, многие протисты и многие бактерии.

Все знают, что фотосинтез – это процесс, в котором из углекислого газа и воды с использованием энергии света синтезируются углеводы, а побочным продуктом синтеза является чистый кислород. Но это, так сказать, кончик носа и кончик хвоста процесса, в середине же происходят очень сложные и интересные вещи.

Главную роль в фотосинтезе играют вещества, называемые пигментами. «Пигмент» по-латыни – краска. Так называют довольно большую группу веществ весьма различного строения, которые поглощают одну часть цветового спектра и отражают другую, в результате чего мы воспринимаем их синими, красными, желтыми, зелеными и так далее. Пигменты, участвующие в фотосинтезе, имеют зеленый, красный или желтый цвет и близко родственны уже знакомым нам липидам. Зеленый пигмент (точнее, целая группа родственных пигментов) называется хлорофиллом.

Весь процесс обслуживается кучей молекул, кроме хлорофилла в нем участвует множество ферментов, которые этот процесс «погоняют», связывают промежуточные вредные продукты, восстанавливают окисленные вещества и делают уйму всякой другой работы.

Общая схема фотосинтеза: А – световая фаза; Б – темновая фаза

Фотосинтез, как и все другие биохимические процессы, идет поэтапно и заканчивается образованием универсального топлива – глюкозы. Глюкоза уже используется автотрофом в качестве нормального дыхательного субстрата и обеспечивает энергией множество других метаболических процессов, которые практически такие же, как у гетеротрофов. Как ни хорош фотосинтез, но на одной глюкозе далеко не уедешь, растению (равно как и бактерии) для нормальной жизни нужно множество других веществ и процессов.

Может на первый взгляд показаться, что фотосинтезирующие организмы – «главные» организмы планеты. Ведь все остальные существуют за счет веществ, которые они синтезируют. На самом деле это совершенно не так, в биосфере нет «тружеников» и «паразитов». Растения не умеют использовать сложные молекулы «напрямую». Если бы не гетеротрофы, которые поэтапно разлагают созданную растениями органику, довольно быстро весь углерод и многие другие вещества оказались бы включенными в отмершие тела растений. Земля в течение короткого времени превратилась бы в пустыню, покрытую трупами нескольких поколений растений.

Эволюция

Что такое «вид»?

Это один из тех вопросов, который легче задать, чем получить на него ответ. Если собрать все, что биологи понаписали на эту тему, получится очень объемистая библиотека. Поскольку мы заговорили об эволюции, что-то сказать о виде придется и нам, потому что дальше вы будете сталкиваться со словами: новый вид, видообразование, изменение видов, вымирание видов, конкуренция между видами. На первый взгляд вопрос кажется простым. Бурый медведь – один вид, белый – другой, домовая мышь – третий, нильский крокодил – четвертый. С мышью и крокодилом все ясно. Но, скажем, воробей с коричневой «шапочкой» и маленьким черным галстучком и воробей с серой шапочкой и большим галстуком – разные виды, полевой и домовый воробьи. А трясогузки с серой спинкой и с черной – один вид, белая трясогузка. А взять рыжую и красную полевок. Это разные виды, но, кроме названия, разница между ними настолько мала, что их даже специалисты порой путают.

Виды воробьев: 1 – домовый; 2 – полевой; 3 – испанский (черногрудый); 4 – пустынный

Вообще, понятие вида возникло в старые добрые времена из простой потребности отличать одно от другого. Какой-нибудь маститый врачеватель говорил своему ученику:

– Для излечения зубной боли поймай жабу, погрузи ее в серебряный сосуд с мозельским вином…

– А что такое «жаба», мэтр? – перебивал его почтительный ученик.

Следовало объяснение, что жаба – это животное с четырьмя ногами, без хвоста и с голой кожей, покрытой бородавками. Ученик мчался в поля, совал в мешок все, что попалось под руку, возвращался домой и, сидя в сенях, начинал сортировать добычу. Для начала он отбирал всех с четырьмя ногами, выбрасывая шестиногих жуков, одноногих улиток и двуногих перепелок. Затем выбрасывал покрытых шерстью мышей и покрытых чешуей ящериц. Затем выбрасывал пару голых, четвероногих, но хвостатых тритонов. Затем, отсортировав полтора десятка лягушек, покрытых голой кожей, без хвоста, но и без бородавок, он оставался с несколькими жабами, которых торжественно нес мэтру.

Серая жаба

Ясно, да? Вид – это группа особей, обладающая уникальным сочетанием признаков. Именно сочетанием, сам по себе признак может быть одновременно у разных видов. Но каких признаков? Только тех, которые считаются существенными, просто потому, что ВСЕ признаки перечислить просто невозможно. Скажем, форму зрачка мэтр в описание не включил. Предположим, дело происходило в Швеции. Там этого описания вполне достаточно. Но если мэтр переберется куда-нибудь поюжнее, то вместе с жабами он получит еще и жерлянок, у которых кожа тоже бородавчатая, но к жабам они отношения не имеют. Кожные выделения у них совсем другого свойства, и опускать их в серебряный сосуд с вином нет никакого резона. Здесь пришлось бы указать, что зрачок овальный и вытянут горизонтально (у жерлянки он треугольный), или описать окраску. Вообще же мэтру могут притащить и больного, покрытого бородавками поросенка, которому собака откусила хвост. А что – описанию соответствует.

Жерлянка

Из нашего примера хорошо видно, что сначала нужно разбить живых существ на виды, а только после этого можно решить, какие признаки существенные, а какие нет. Раздел биологии, классифицирующий все живое, называется систематикой. Систематики – несчастные люди. Сначала они или их предшественники чисто интуитивно выделяют группы одинаковых особей и называют их видами. Затем они находят признаки, по которым все эти виды можно различить. Некоторое время все идет прекрасно. Потом откуда-нибудь из Африки, Сибири или с острова Пыху-Вспыху им привозят бородавчатого поросенка. Ежу понятно, что это не жаба и не тритон. Систематики начинают вводить дополнительные признаки. Самое при этом смешное, что виды – это реальность. Они действительно существуют. И отказаться от понятия вида нельзя, половина биологии просто рухнет.

Зрачок жерлянки (слева) и жабы (справа)

Систематики мучились довольно долго, пока в дело не вмешались эволюционисты. Для них главным было не то, как отличить один вид от другого, а то, что признаки вида передаются из поколения в поколение и при этом могут постепенно изменяться. Вся куча признаков была заменена одним четким критерием. Вид – это группа живых существ, способных спариваться и приносить плодовитое потомство. Все, точка. Кстати, выяснилось, что поколения натуралистов, классифицировавших живые существа на основе своего опыта и интуиции, были вовсе не дураками. Большинство видов, выделенных на основании признаков строения, оказались вполне настоящими видами, хотя и не все.

Таким образом вид – это носитель определенной, принадлежащей исключительно ему генетической информации. Каждое поколение получает эту информацию «снизу», от своих предков и передает ее «вверх», своим потомкам. Получить информацию «сбоку», от другого вида, или передать ее «вбок» – невозможно. Каждый вид варится в своем собственном соку. Биологи называют это репродуктивной изоляцией.

Вы думаете, все сразу стало ясно? Увы, не все. Прежде всего, совершенно нереально установить возможность (или невозможность) скрещивания во всех без исключения случаях. Когда речь идет о слоне и крокодиле, все понятно, признаки того и другого несовместимы в принципе, так что ничего из их брака не получится. Даже если речь идет о крокодиле и черепахе, то и тогда ситуация ясна. Но когда речь идет о видах похожих, то дело осложняется. Даже ныне живущие виды не всегда возможно проверить на скрещиваемость, скажем, просто потому, что они вообще не желают размножаться в неволе. А уж когда речь идет о видах вымерших, известных по ископаемым остаткам… Так что очень часто приходится полагаться на старый добрый критерий различий строения. Виды, выделенные таким образом, называются морфологическими вида-ми. А виды, для которых точно установлена невозможность скрещивания – биологическими видами.

Если вид меняется, то неизбежно наступает этап, когда разные особи уже отличаются друг от друга, но еще способны скрещиваться. Возьмем домашнюю собаку. Дог и лайка отличаются друг от друга очень сильно, но скрещиваются вполне успешно. А вот с догом и таксой дело обстоит сложнее, успешному скрещиванию мешает разница в размерах. Однако в принципе скрещивание возможно. В таких случаях границы между видами проводятся условно, руководствуясь в значительной степени удобством и необходимостью различения. Так, волка и собаку относят к разным видам, хотя они и прекрасно скрещиваются, а дога и таксу – к одному виду.

На этом проблемы не оканчиваются. Окапалось, что многие виды способны скрещиваться и приносить плодовитое потомство. Но плодовитость этого потомства очень низка. Как прикажете поступать в таком случае? Еще интересней ситуация, когда потомство от смешанных браков не только весьма плодовито, но и гораздо сильней и выносливей, чем потомство «чистокровное». Но виды не спариваются, скажем, потому, что ритуал ухаживания у них разный. Если вы начнете прыгать на месте перед встреченной в парке девушкой, бить себя кулаком в грудь и ломать ветки с криками «у! у! у!», вам вряд ли ответят взаимностью (хотя, говорят, есть группы молодежи, где принято выражать симпатию именно таким образом). С другой стороны, если вы уступите место на пеньке в тропическом лесу самке шимпанзе, заведете с ней разговор о музыке и пригласите на концерт, вас также поймут неправильно. У многих же животных ритуал ухаживания – штука врожденная, и изменять его по своему желанию, в отличие от нас, они не могут.

Мало того, существуют живые существа, у которых вообще нет полового размножения и, сами понимаете, скрещивания у них тоже нет, да и быть не может.

Есть растения, размножающиеся исключительно вегетативным путем, например, банан или, чтобы не забираться так далеко от родных мест, – чеснок. Есть животные, причем весьма продвинутые, некоторые насекомые, рыбы и ящерицы, у которых виды, хорошие морфологические виды, состоят из одних самок. Яйцеклетки начинают делиться без всякого участия самцов и развиваются из них новые поколения самок. Эта штука называется партеногенезом.

Скальная ящерица. Многие виды скальных ящериц размножаются только партеногенезом и состоят из одних самок

Если считать видом группу особей, способных скрещиваться, то понятие «вид» применимо только к организмам, которые так или иначе, но размножаются половым путем. А что прикажете делать с видами (а как их еще назвать?), которые состоят из одних самок, размножающихся партеногенезом? Члены такого «вида» не могут смешать свою наследственную информацию. Получается, что каждая особь – отдельный вид?

– Черт возьми! – можете сказать вы. – Нам таки объяснят толком, что такое вид?

Нет, не объяснят. Вид остается понятием достаточно расплывчатым. Когда все ясно, биологи говорят о «хороших видах». Когда не ясно – о видах «плохих», о полувидах, подвидах, расах. Каждый раз границы между этими категориями вызывают ожесточенные споры. Но иначе и быть не может. Вид – это не застывший памятник эволюции или Божественного Творения. Вид способен изменяться, и потому провести четкие границы между видами удается не всегда. Но между понятиями «ребенок» и «взрослый» тоже не всегда можно провести четкую границу: вот, до обеда он ребенок, а после обеда уже взрослый. Но тем не менее понятия эти совершенно реальны, и отказываться от них не имеет смысла. А кому по складу ума нужна полная ясность определений, тому лучше выбрать какую-нибудь другую область исследования.

Надо сказать, что большинство людей терпеть не могут неопределенности. Им требуется все разложить по полочкам. Это белое, это черное, это один вид, это другой. Когда выясняется, что провести границу между белым и черным невозможно, они находят выход и из этого положения. Они объясняют, по каким законам черное превращается в белое и наоборот. Все становится ясно, и все довольны. Не надо думать, что страсть к ясности – удел людей ограниченных. Именно эта страсть лежит в основе любопытства, и именно из любопытства выросла наука. Страсть к ясности свойственна всем живым существам с развитым мозгом. Это залог благополучия, долгой жизни и мирной кончины. Если в окружающем мире что-то неясно и непонятно, это может оказаться опасным. Чем больше мышь или тигр знает о том, что происходит вокруг, тем меньше шансов попасть в лапы врага или упустить вкусный кусочек. Мозг всех высших позвоночных устроен таким образом, что недостаток информации вызывает неприятное ощущение, а получение информации – приятное. Так что и подглядывание в замочную скважину за соседями, и постановка хитроумного эксперимента имеют в основе одну врожденную склонность – любопытство. А любопытство – тоже результат эволюции и миллионов лет естественного отбора.

Источник новизны

Хорошо известно, что если, скажем, мух начинают травить дихлофосом, то в конце концов может возникнуть такая разновидность, которая будет этот дихлофос пить вместо сахарного сиропа. Многие старые добрые отравы, некогда прекрасно морившие мух, ныне можно использовать только одним способом – насыпать в мешочек и этим мешочком муху прихлопнуть. Это не шутка. Для борьбы с вредителями приходится разрабатывать все новые и новые яды, к старым они привыкают, причем «привычка» передается по наследству, а значит, происходят какие-то изменения и ДНК – ведь именно она хранит всю наследственную информацию. Но мы знаем, что при размножении молекула ДНК копируется, копируется очень точно, один к одному. Откуда берутся новые свойства и признаки?

Источников новизны, в общем, всего два. В одном случае новое – результат рекомбинации генов, то есть на самом деле оно вполне старое, просто в необычном сочетании. В другом – в хромосомах действительно возникает принципиально новая информация. Речь идет о мутациях. Слово это известно каждому, и как-то так получается, что большинство людей, не специалистов, именно мутации считает главным двигателем эволюции. Во множестве научно-фантастических романов новый вид, часто свирепый враг человечества, возникает в результате зловредной, мутации. На самом деле главная опора эволю-ции – не мутации сами по себе, а скромное, терпеливое, бесконечное тасование признаков и свойств. Это совсем не такой эффектный процесс, как мутация, в романе он смотреться не будет. Но эволюция не читает романов.

На протяжении жизни человека в его теле случается не одна тысяча мутаций, но он об этом даже не догадывается. И нужно быть очень невезучим, или попасть под сильное мутагенное воздействие, например под мощное радиоактивное излучение, чтобы начались проблемы. А потомству мутация будет передана только в том случае, если она произошла в половых клетках. Сказаться на потомке это может самым разным образом.

Все описанные процессы приводят к тому, что организмы, даже принадлежащие к одному виду, наряду с общими чертами, имеют массу мелких различий, и весь этот винегрет и создает основу для эволюции.

Гены, аллели и популяции

В природе любая достаточно большая группа живых существ, например все тараканы города Костромы, обладает огромным разнообразием свойств. В хромосомах костромских тараканов закодирована масса информации, которая в норме не очень-то заметно и проявляется. Часть признаков может вообще проявляться крайне редко. Признаки постоянно тасуются в результате перемешивания отцовских и материнских хромосом и обмена генами между самими хромосомами. Поэтому среди костромских тараканов можно найти особей с самыми разными сочетаниями признаков и, соответственно, с самыми разными способностями.

Вообще говоря, судьба каждого конкретного таракана очень сильно зависит от игры случая (например, тапка). Но в целом, конечно, более быстрые и более зоркие тараканы будут жить дольше, а значит – оставлять больше потомства. Кажется, все просто, тараканы должны с каждым поколением становиться все зорче и стремительней. В природе, однако, не существует «гена зоркости» или «гена резвости». Ген определяет синтез определенного белка и ничего больше. Есть, конечно, простые признаки, которые определяются одним геном. Но в большинстве случаев признаки определяются взаимодействием многих генов.

Набор генов, который содержится в ваших или моих хромосомах, называется генотипом. А набор признаков, которыми мы обладаем, – фенотипом. Зоркость, резвость, сообразительность, рост и умение пить дихлофос – это как раз фенотипические признаки, и часто одному лишь Богу известно, каким сочетанием генов они определяются. Довольно часто случается, что особи со сходным фенотипом могут обладать различным генотипом. Однако давайте пока для простоты считать, что каждому набору свойств соответствует один генотип.

Наследование признаков по одному гену. При скрещивании гомозиготных особей с доминантными (А) и рецессивными (а) аллелями, в первом поколении все их потомки будут иметь фенотип, соответствующий доминантному аллелю. При скрещивании гетерозиготных особей одна четверть их потомков окажется гомозиготной по рецессивным аллелям. Остальные три четверти будут внешне неотличимы, но генотип у них будет разный: гомозиготный и гетерозиготный

И еще одно – слово ген при разговорах об изменчивости и эволюции не всегда подходит. Ген – это то, что определяет синтез, скажем, пигмента, окрашивающего лепестки. Но может быть несколько вариантов одного гена, например ген красной и ген белой окраски. Принято называть разные варианты одного гена аллелями. Аллелей каждого гена может быть и одна, и две, и несколько. В двойном наборе хромосом обычной клетки содержится, соответственно, две аллели. Если это аллели одинаковые (например, красные), то говорят, что по данному признаку организм гомозиготен. Если разные (красная и белая) – гетерозиготен. Одна из аллелей может подавлять другую, тогда первая называется доминантной, а вторая рецессивной. Так что жгучий брюнет (а гены темной окраски обычно доминантны) может получить от жгучей брюнетки вполне блондинистого ребенка, если родители гетерозиготны по данному признаку. А вот если у светлой пары родился ребенок с черными глазами и волосами – дело неладно. Поскольку ген светлой окраски рецессивен, то блондин должен быть гомозиготен по данному признаку. «Черный» ген не спрячешь, он доминант. Так что и у ребенка ему взяться неоткуда. Если конечно, не произошла мутация.

Еще одно весьма полезное слово – популяция. Биологи употребляют его в разных смыслах. Но практически всегда речь идет о группе живых существ, населяющих определенную территорию со сходными условиями. То есть все члены популяции подвергаются примерно одинаковым внешним воздействиям. Обычно популяция – это еще и группа, внутри которой возможно, хотя бы теоретически, спаривание любой особи одного пола с любой особью противоположного. Но масса существ не знает полового процесса. Они все равно могут быть популяцией, если удовлетворяют первому условию. На языке биологов это звучит так: «популяцией, в строгом значении этого термина, принято называть совокупность особей одного вида, которая реагирует на эволюционные факторы как единое целое».

Эволюция

Теперь, несколько забегая вперед, скажем, что такое эволюция. Вообще, evolutio – латинское слово, означающее развертывание свитка, листание книги, чтение. Само значение слова «эволюция» предполагает, что речь идет о неком постепенном процессе развертывания или развития. Большинство людей, говоря об эволюции, имеют в виду развитие жизни на планете вообще. Взяв в руки учебник биологии, вы узнаете, что жизнь на Земле начиналась с примитивных одноклеточных существ. Эти существа постепенно, от поколения к поколению, на протяжении миллиардов лет изменялись, становились все более сложными, и в результате от них произошли современные зайцы, георгины, верблюды, ананасы и мы с вами. Это и есть эволюция. В общем, все правильно. Но профессиональные биологи мыслят несколько более конкретно. Они называют эволюцией любое необратимое изменение наследственной информации, которой владеет вид.

Представьте себе, что небольшая стайка мелких птиц, спокойно летящая вдоль морского побережья, была подхвачена ураганом и унесена на тысячу километров от берега. Такие случаи совсем не редкость. Стайке повезло, пичуги увидели маленький островок в океане, приземлились и остались в живых. Через какое-то время стайка размножилась, но в результате дрейфа генов (стайка-то невелика) утеряли какие-то аллели. Потом в результате рекомбинации возникло сочетание признаков, которое на материке особого смысла не имело, а здесь оказалось полезным. Случилась пара мутаций, пусть даже бесполезных самих по себе, но изменивших взаимодействие генов. Генотип изменился, изменились и признаки строения, изменилось поведение. Затем Господь бог глянул на старушку Землю, тряхнул ее как следует, и между островом и материком возник перешеек. Птахи встретились со своими предками, которые остались на их, забытой уже, родине. Если изменения признаков зашли так далеко, что родичи или не узнали друг друга (изменилась окраска или ритуал ухаживания, скажем, песня), или генофонды оказались несовместимыми – все, обратного пути нет. Произошла эволюция. Если же спаривание возможно, то генофонд маленькой островной популяции быстренько растворится в многочисленном населении материка. Процесс оказался обратимым, эволюции нет, есть простое изменение частоты аллелей и некоторых генов. Уловили суть? Эволюция – это когда исчезла возможность скрещивания, возникла репродуктивная изоляция. Иными словами, эволюция – это возникновение новых видов, и ничего более.

Поскольку эволюция – это процесс, причем, как правило, неторопливый, то четкой границы между эволюцией и «неэволюцией» тоже нет. Тряхни Господь Землю пораньше, и возможность скрещивания, пусть неполная, но сохранилась бы. Вообще, видообразование – штука очень интересная, и мы еще поговорим о нем подробней.

Что такое приспособленность

Хотя мы уже не раз произносили слово «приспособленность» и вроде всем ясно, что оно значит, но понятие это настолько важное, что имеет смысл поговорить о нем подробней.

Вот, например, зеленый крокодил, живущий в мутно-зеленой реке Лимпопо. Он быстр, зорок и силен, он таится в засаде, и заметить его невозможно. Он охотится на антилоп, приходящих к водопою, гораздо лучше своих черных и не таких шустрых собратий. Он лучше приспособлен к жизни в Лимпопо, чем они? Но у этого зеленого крокодила есть один маленький дефект – у него плохо развита координация тонких и слабых движений челюсти. Он не может помочь своим детям освободиться от яичной скорлупы и осторожно перенести их из гнезда в безопасный водоем. Это не шутка, нильские крокодилы действительно очень заботливые родители и в самом деле охраняют гнездо, помогают детям вылупиться, относят их в безопасное место, да и там еще охраняют от многочисленных любителей маленьких крокодильчиков, пока дети не подрастут.

Самка нильского крокодила с детенышами

Наш суперкрокодил не оставит потомства, все его гены, обеспечивающие ему зоркость, силу и зеленый цвет, пропадут зазря. Естественный отбор его забракует. Так что такое приспособленность? Приспособленность – это СОЧЕТАНИЕ всех признаков и способностей, причем не обязательно наилучшее в данных условиях, оно может быть просто достаточным. А показателем приспособленности биологи считают число потомков, доживших до половой зрелости и оставивших, в свою очередь, больше потомков, чем дети соседа. То есть приспособленность организма определяется числом его детей, внуков и правнуков. Никакого другого способа оценить приспособленность нет. Биологи называют это итоговой приспособленностью.

Таким образом, приспособленность с точки зрения естественного отбора – это способность гена сохраняться из поколения в поколение. Приспособленность к охоте – тоже приспособленность, но другая. Это, так сказать, частная приспособленность. В русскоязычной биологической литературе приспособленность организма (или его отдельной части) к выполнению определенной работы чаще называют, приспособлением, или адаптацией. Но строгих правил тут нет, так что каждый раз нужно хорошо понимать, о какой приспособленности идет речь.

Эволюционисты пользуются словами, которые кажутся понятными всем – естественный отбор, выживание наиболее приспособленных, борьба за существование. Быть может, поэтому после появления теории эволюции о ней принялись рассуждать все, кому не лень. Дарвин, кстати, в своих книгах чуть ли не через страницу предупреждал, что эти слова употребляются в метафорическом смысле, и разжевывал их истинное значение. Не помогло. За теорию Дарвина с восторгом ухватились экономисты, социологи и просто любители поразмышлять после обеда о смысле жизни. Теорию начали применять «в лоб» к общественной жизни человека, где она, кстати сказать, в таком «лобовом» виде практически не работает. Борьбу за существование представляли как дра-ку за кусок хлеба, а самым приспособленным признавался тот, кто сумел больше остальных нахапать. Очень удобная позиция, и совесть не мучает – ничего не поделаешь, эволюция. С точки зрения квалифицированного зоолога – бред сивой кобылы. Приличные социологи это, кстати, тоже понимали.

Куда ведет отбор

Любой вид живых существ – это поле боя двух противоположных сил. Рекомбинации и мутации изо всех сил стремятся увеличить разнообразие свойств – увеличить изменчивость. Кроме того, популяции, и даже виды в целом, редко бывают ну совсем уж наглухо изолированы друг от друга. В любой почти популяции время от времени, а порой и весьма часто появляются пришельцы из других популяций. Поскольку предки этих пришельцев несколько поколений жили в других условиях, то пришельцы могут принести аллели (или мутации аллелей), которые в этой местности редки или даже совсем отсутствуют. Иногда, особенно между близкими видами и особенно у растений, случаются и межвидовые скрещивания. Такие «незаконные» браки тоже приносят в популяцию новый генетический материал. Эта штука называется потоком генов, и она тоже работает на увеличение изменчивости.

С другой стороны выступают дрейф генов и естественный отбор, которые эту изменчивость уменьшают. Дрейф генов – это случайное увеличение или уменьшение (вплоть до полного выпадения) доли какого-то аллеля из-за колебаний численности популяции. Особенно сильно дрейф генов проявляется в маленьких популяциях. С отбором тоже все понятно, он давит на носителей определенных аллелей (на то он и отбор), снижает частоту этих аллелей и, соответственно, как правило, снижает генетическое разнообразие. Собственно, результат этой борьбы и есть эволюция. По результат может быть разным, отбор может двигать вид в самых разных направлениях, а может и заставить топтаться на месте.

Если измерить признаки особей какой-либо популяции, например длину хвоста, чувство юмора или остроту зрения, то окажется, что большинство животных (или растений) обладает средненькими признаками. Чем сильнее признак отклоняется от средней величины, неважно, в большую или меньшую сторону, тем реже такое отклонение встречается. В большинстве случаев отбор «откусывает» от популяции как раз тех и без того сравнительно редких особей, которые уклоняются от золотой середины. В природе действует так называемый «трамвайный закон» – не высовывайся! Возьмем самый простой пример – плодовитость.

Самки, скажем, водяной полевки, которые рождают совсем немного детенышей, оказываются в явном проигрыше по сравнению с самками плодовитыми. Их вклад в последующее поколение полевок окажется меньше, то есть частота «гена низкой плодовитости» будет все время снижаться. Но очень большой выводок трудно прокормить, детеныши будут мельче и слабее, они будут чаще гибнуть, и вклад очень плодовитых самок окажется тоже невелик. В наиболее выгодном положении окажутся самки с плодовитостью средней. Это касается любого признака. Та же шерсть, если она очень редкая, то это плохо – холодно. Но слишком длинная и густая шерсть тоже порой ничего хорошего, хотя бы потому, что она будет за все цепляться.

Водяная полевка

Первым, насколько известно, сообщил о «трамвайном законе» канадский орнитолог Гораций Бумпус в конце XIX столетия. Как-то в жесточайший мороз он подобрал и притащил домой целую стаю полумертвых воробьев. Выжило из них меньше половины. Из чистого любопытства он измерил у всех воробьев длину тела, длину крыла, цевки, хвоста и клюва. Это стандартные промеры, которые входят в описание любого вида птиц. К собственному удивлению, он обнаружил, что выжившие воробьи имели показатели, близкие к средним для этого вида. А у погибших эти признаки широко варьировали.

Череп совы: 1 – глазницы; 2 – камера среднего и внутреннего уха; 3 – мозговая коробка

Ну а, скажем, острота зрения или скорость бега? Вроде бы, чем лучше вы видите и чем быстрей бегаете, тем лучше. Значит, есть такие признаки, которые отбор всегда будет двигать только в одну сторону? Не все так просто. Та же острота зрения в первую очередь требует увеличения размеров глаза. Хотя глаза орлов, сов или кошек не кажутся такими уж большими, но на самом деле это разрез век у них небольшой. Само же глазное яблоко у остроглазых животных огромное. А чем больше глазное яблоко, тем меньше развиты челюстные мышцы. Для них просто не остается места. И располагаться им приходится «неудобно», чтобы дать место глазу. Значит, чем лучше зрение – тем слабее челюсти.

Отбор уничтожает не только анатомические, так сказать, крайности. Он не любит крайностей и в поведении. Хорошо известно, что у многих животных жертвами хищников становятся в первую очередь те, кто занимает в сообществе самое высокое и самое низкое положение. Изгои гибнут потому, что у них нет хорошего постоянного убежища, потому, что они вынуждены кочевать постоянно с места на место, потому, что их вытесняют из мест с хорошим кормом и они вынуждены много времени тратить на поиски пищи, вместо того чтобы сидеть себе спокойненько в норке и наслаждаться жизнью. Но и баловням фортуны не проще. Прежде всего потому, что лидер должен постоянно поддерживать свое лидерство. Он должен изгонять со своей территории чужаков, показывать кузькину мать подчиненным, постоянно демонстрировать самкам, какой он могучий и непобедимый. Так что времени на то, чтобы сидеть в норке, у него тоже не очень много.

Отбор, который благоприятствует среднему состоянию признаков, называется стабилизирующим. И работает только в сравнительно стабильных условиях. Но вот условия изменились. Скажем, резко повысилось количество корма. Животные получили возможность благополучно выкармливать помногу детенышей, большие выводки теперь прекрасно выживают. Отбор перестал давить на самок с повышенной плодовитостью, но еще сильнее давит на самок с низкой. Средняя плодовитость популяции начала увеличиваться. Это уже направленный отбор, смещающий признаки в одну сторону. И он будет работать до тех пор, пока плодовитость не придет в соответствие с новыми условиями. Тогда он снова превратится в отбор стабилизирующий.

Березовая пяденица: черная и белая формы

Один из самых ярких примеров направленного отбора – изменение окраски березовой пяденицы в Англии. Эта ночная бабочка день проводит сидя на стволах деревьев. Окраска – светло – серая, с темными крапинками – делает ее на покрытых лишайниками стволах совершенно незаметной. Первые черные экземпляры пяденицы были найдены в середине XIX столетия в окрестностях Манчестера. А уже в начале XX века черные бабочки составляли здесь почти 98 % популяции. Еще через пятьдесят лет светлых бабочек во всех промышленных районах Англии почти не осталось. Главную роль в отборе сыграли птицы. Специальные эксперименты показали, что в чистом лесу, где стволы покрыты не копотью, а лишайниками, птицы за несколько дней выедают всех черных бабочек, и лишь изредка им удается найти светлых. В промышленных районах – все наоборот.

Ядовитая бабочка Amaurus naivius – модель для подражания

Самка неядовитой бабочки Papilio merope

Существует еще и третий вариант отбора – дизруптивный, или разрывающий. Это когда существа с крайними значениями признака получают преимущество перед «середнячками». Есть случаи, когда в одной местности обитают разные формы одного и того же вида и, очень может быть, возникновение этих форм как раз и есть результат разрывающего отбора. Например, в Южной Африке один из видов бабочек-парусников имеет несколько форм, отличающихся по окраске. Встречаются эти формы в одних и тех же местах, и каждая форма «подражает» одному из ядовитых видов бабочек из этой же местности.

Вообще, такое подражание очень полезно, но только в том случае, если подражателей значительно меньше, чем ядовитых образцов для подражания. Если наоборот, то хищник просто не поймет, что таких бабочек надо избегать. Ну, попадаются среди них изредка вонючие, но большинство-то вкусные. Так что подражать сразу нескольким видам очень выгодно.

Встречаются здесь и бабочки с промежуточной окраской, ни то ни се, но редко. Поскольку бабочки «ни то ни се» выедаются хищниками гораздо чаще, чем «подражательницы», то очень может быть, что мы имеем дело с дизруптивным отбором. Разрывающий отбор – это тот единственный случай, когда отбор увеличивает изменчивость.

Склонность животных и растений походить на ядовитые, опасные или несъедобные вещи носит название мимикрии. Впервые обратил внимание на это явление английский натуралист Генри Уолтер Бейтс, современник Дарвина и близкий друг Альфреда Уоллеса. Он много лет исследовал дебри Амазонки и именно здесь заметил, что безобидные бабочки часто похожи на ядовитых. Это явление получило название «бейтсовской мимикрии». Распространена мимикрия очень широко, не только среди бабочек. Существует еще «мюллеровская мимикрия», которую обнаружил немецкий зоолог Фриц Мюллер. Это когда несколько ядовитых видов похожи друг на друга. Хищникам не нужно заучивать множество разных предупредительных сигналов, и это очень способствует их скорейшему обучению.

Зачем павлину хвост

Понятно, что для красоты. Но как он мог появится и куда смотрел отбор? Хвост павлину, или, скажем, самцу райской птицы, несомненно мешает. С таким хвостом сложно добывать пищу, а тем более спасаться от врагов. Значит, продолжительность жизни самца будет меньше и он оставит меньше потомков. Мало того. Какого черта самки выбирают таких самцов? Ведь это снижает жизнеспособность их потомков мужского пола и снижение частоты их собственных генов в будущем. Это мы с вами можем купиться на красоту, а естественный отбор признает только одну форму оплаты – жизнеспособное потомство. По идее, отбор должен был выдрать хвост павлина еще в зародыше. Можно, однако, предположить, что самка именно потому выбирает хвостатого самца, что хвост мешает ему жить. Если уж самец исхитряется благоденствовать с таким хвостом, то это, вне всякого сомнения, нечто, значит он могуч, здоров, и даже хвост не мешает ему выжить. Логично? Вроде бы да. Но есть и другая гипотеза, впрочем, первой она не про-тиворечит.

Дело может быть не только в демонстрации силы и здоровья. Самка, коль скоро она выбирает, неизбежно ориентируется на какие-то признаки. И эти признаки должны приобретать для них самостоятельную ценность, по той простой причине, что у привлекательных самцов будут привлекательные сыновья, а значит самка имеет шанс получить от брака с таким самцом больше внуков и правнуков. Самцу будет выгодно выпячивать и усиливать этот признак или признаки. До тех пор, конечно, пока недостатки такого украшения не перевесят его достоинства. Но и это объяснение не очень удовлетворяет многих биологов. Так что происхождение броских и неудобных брачных нарядов покрыто тайной, единого мнения на эту тему нет.

Понятно, что выбор партнера – очень важное дело для любого. От его наследственных качеств в значительной степени зависит жизнеспособность потомства и, следовательно, ваша приспособленность. Но самка обычно подходит к выбору партнера более тщательно, чем самец. В большинстве случаев основная тяжесть выкармливания и воспитания детей, не говоря уж о вынашивании, ложится на самку. Так что риск у самки выше, просто потому, что выше ставка. Даже если родители о потомстве не заботятся, родительский вклад самки обычно все равно больше. Выносить икринки трудней, чем сперматозоиды. Вдобавок, самец может спариться с несколькими десятками самок, количество сперматозоидов у него практически не ограничено, с какой-нибудь и повезет, потомство окажется качественным, а труд невелик. Самка же может родить за свою жизнь только ограниченное количество детей.

Кстати, нужно твердо помнить, что когда мы говорим о выборе партнера, о выгодах хвоста или, скажем, умении крокодила ловить рыбу – это метафора чистой воды. Ни павлин, ни крокодил не знают генетики, и ими движет отнюдь не желание оставить много потомков. Просто те гены, благодаря которым организм обладает строением и поведением, обеспечивающими большую плодовитость и выживаемость, начи-нают преобладать в генофонде. А их менее успешные коллеги постепенно из генофонда исчезают.

М-да… Вот перечитал я все, что понаписал в предыдущих главах, и стало мне грустно. Эволюция и ее причины – страшно интересная область биологии. Ведь это попытка разобраться в путях развития жизни вообще и в происхождении нашего собственного рода в частности. Но рассказать о путях и законах эволюции в двух коротких главах невозможно. Однако, если кому-то стало действительно интересно, разыщите для начала две книги: «Эгоистичный ген» Ричарда Докинза и «Эволюция человека» Александра Маркова. Это книги, написанные серьезными специалистами для широкого круга читателей. И читаются они, как самый захватывающий детектив.

Кто есть кто

Чем занимаются систематики

За три с половиной миллиарда лет эволюция произвела на свет неисчислимое количество разнообразных живых существ. Окинуть их единым взглядом просто невозможно. И чтобы не запутаться в полчищах мышей, лягушек, стафилококков и динозавров, их требуется разложить по полочкам. Вообще, классификация – основа любой науки, и классификация живых существ – основа биологии. Занимается классификацией организмов одна из самых старых и почтенных биологических дисциплин – систематика. Классифицировать объекты можно по самым разным признакам, например, по размеру. Или по окраске. Кстати сказать, даже такая классификация лучше, чем никакой. Но систематика недаром так называется – она строит систему. Это значит, что во внимание принимаются в первую очередь родственные связи организмов. На одну полочку укладываются живые существа, сходные по происхождению, а следственно – сходные по строению. Такая система называется филогенетической, от слова филогенез: фила – по-гречески племя, и генезис – происхождение. Вообще же, строение и происхождение не совсем одно и то же. Строение может быть в чем-то сходным в результате обитания в сходных условиях. Киты похожи на рыб, а летучие мыши на птиц. Однако, киты и летучие мыши довольно близкие родственники, а летучие мыши и птицы – весьма дальние. Так что раскладывание живых существ по полочкам отнюдь не простое занятие. Нужно учитывать не внешнее сходство и не функцию органа, а его внутреннее строение, его принципиальную конструкцию. Довольно часто принцип устройства можно понять, только рассмотрев в деталях развитие органа в ходе эмбриогенеза – развития зародыша. При таком подходе становится ясным, что в основе китового плавника, крыла летучей мыши и собачьей лапы лежит одна схема, а в основе птичьего крыла – несколько другая. И обе схемы не имеют ничего общего с крылом мухи или бабочки. Однако и этого иногда оказывается мало. В некоторых случаях установить степень родства позволяет только сравнение строения молекул белка или хромосом. Иногда пролить свет на происхождение какой-либо группы организмов позволяет их распространение на планете.

Одно из основных понятий систематики – вид. Это совокупность организмов самой близкой степени родства. Особи одного вида всегда способны скрещиваться и производить на свет плодовитое потомство, если для этого вида вообще характерно половое размножение. Близкие виды объединяются в роды, близкие роды – в семейства. А вот группы близкородственных семейств ботаники и зоологи называют по-разному, ботаники – порядками, а зоологи – отрядами. Родственные отряды (или порядки) объединяются в классы, а родственные классы в типы (зоологи) или отделы (ботаники). Высшая категория – это царство, объединяющее родственные типы или отделы. Впрочем, около десяти лет назад ввели еще одну, высшую категорию, – домен.

Шесть царств

Некогда все произведения природы натуралисты делили на три царства – царство минералов, царство растений и царство животных. Надо сказать, что даже при таком простом разделении в классификации царила изрядная путаница. Скажем, примитивных животных, таких, как губки или актинии, одно время относили к растительному царству. Но, в общем, где-то к концу XVIII столетия границу между растениями и животными удалось провести довольно четко. Однако ненадолго. В дело вмешались микробиологи, точнее, те, кто назывался тогда микроскопистами, и дело опять запуталось. Мало того, что микроскоп позволил обнаружить массу мельчайших существ, невидимых простым глазом, так еще их изучение показало, что разделить их на растения и животных зачастую просто невозможно. Во второй половине XIX века Эрнст Геккель попробовал решить проблему, введя третье царство – царство протист. К протистам стали относить всех одноклеточных созданий.

На этом, однако, дело не кончилось. Изучение протист показало, что они делятся на две четко различающиеся группы. Одни одноклеточные имели ядро, подобное ядру клеток всех растений и животных, а другие – бактерии – обходились без него. Мало того, у бактерий обнаружилось довольно много других особенностей, их строение и физиология имели мало общего со строением и физиологией клеток, обладающих ядром. В первой половине XX века американец Герберт Купеланд предложил ввести четвертое царство – царство бактерий. Довольно быстро стало ясно, что наиболее резкая граница пролегает не между царствами, а между бактериями и всеми прочими. Мир живых существ распался на две части – те, кто обладает клеточным ядром (и некоторыми другими внутриклеточными структурами), и тех, кто этих структур лишен. Первых стали называть эукариотами (полноядерными), вторых – прокариотами (доядерными).

Но и это еще не конец. Систематиков давно смущали грибы, которые с незапамятных времен обретались в царстве растений. С развитием физиологических и цитологических исследований становилось все яснее и яснее, что грибы и прочие растения имеют не больше общего, чем растения и животные. В 1958 году ситуация «прорвалась» – Роберт Виттакер предложил выделить грибы в особое царство, что и было сделано.

Очередной сюрприз человечеству преподнесли бактериологи. Среди бактерий довольно давно была известна группа так называемых метанообразующих бактерий. Они сильно отличаются от всех прочих бактерий строением клеточной оболочки и особенностями метаболизма. В семидесятых годах XX столетия обнаружилось, что у всех этих бактерий последовательность оснований в рибосомной РНК совершенно другая, чем у всех прочих. Эту группу назвали архебактериями. Затем выяснилось, что к архебактериям относится, помимо метанообразующих, и множество других прокариот. Американец Карл Ваус показал, что дистанция между обычными бактериями и архебактериями столь же велика, как между бактериями и эукариотами. Он выделил архебактерий в отдельное царство (и всего царств стало шесть) и, кроме того, предложил ввести новый, высший таксон – домен.

По современным представлениям мир живых существ разделяется на три домена: археи, бактерии и эвкарии. Домены архей и бактерий содержат по одному царству, архебактерии и эубактерии соответственно, а домен эвкарий четыре царства – протисты, грибы, растения и животные. Происхождение эубактерий и архебактерий – вопрос крайне темный. Существует две гипотезы. Согласно одной эти организмы возникли независимо друг от друга, то есть это вообще разные формы жизни. Большинство микробиологов склоняется, однако, к мнению, что архебактерии и эубактерии произошли от одного предка, причем разошлись эти ветви вскоре после возникновения жизни вообще, то есть около четырех миллиардов лет назад. При этом архебактерии сохранили больше древних и примитивных черт, свойственных первым живым существам планеты.

Современные представления о систематике царств и доменов

Ну и, следует сказать несколько слов о еще одной группе, скажем так, органических комплексов, – о вирусах. Вирусы, на первый взгляд не имеют ничего общего с другими живыми существами и находятся, строго говоря, между миром живых организмов и миром минералов. Вирусов, обычно, вообще не включают в систему классификации живых существ. Вопрос – почему не считать их седьмым царством? Дело в том, что вирусы, о которых мы расскажем чуть поподробней в следующей главе, по всей вероятности произошли из каким-то образом получивших независимость «кусков» нормальных клеток. Причем прародителями вирусов являются все три домена.

Беспризорники

Строго говоря, вирус не более живой, чем какой-нибудь антибиотик или органический яд, которые вмешиваются в биохимические реакции наших клеток и заставляют их выделывать нечто непотребное. Вирусы могут даже кристаллизоваться, что живому организму совершенно не свойственно. Разница лишь в том, что яды, блокируя одни реакции и вызывая другие, ведут себя в живой клетке как слон в посудной лавке, а вирус заставляет эту клетку производить собственные копии.

Состоят вирусы из молекулы ДНК или РНК и белковой оболочки, которая может включать несколько десятков белковых молекул, а может – и несколько тысяч. Клетка, в которую проникают вирусы, забывает о своих обязанностях и начинает синтезировать совсем другие белки и нуклеиновые кислоты, штампуя новых вирусов. В результате вирусы вызывают самые разнообразные заболевания, от насморка до бешенства, СПИДа и некоторых форм рака. Но, между прочим, даже от вирусов есть польза. Поскольку они умеют профессионально встраиваться в геном посторонних организмов, их используют для «пересадки генов» в генной инженерии.

Развитие вируса в клетке (схема): 1 – прикрепление вируса к мембране клетки; 2 – нуклеиновая кислота вируса; 3 – белковая оболочка вируса; 4 – белки вируса, синтезированные клеткой; 5 – новые вирусные частицы покидают клетку; 6 – ДНК клетки

Откуда взялись вирусы? Среди неспециалистов довольно широко распространено даже не убеждение, а некое смутное ощущение, что вирусы, стоящие на грани живого и неживого, это некий прообраз первых форм жизни. На самом деле – ничего подобного. Вирусы – продукт весьма продвинутых созданий, стоящих на высокой ступени эволюционного развития. Предполагается, что вирусы – это куски генома вполне добропорядочных клеточных организмов, прокариот и эукариот, утерянные в результате различных несчастных случаев.

Прокариоты

Блеск и нищета прокариот

Хотя эубактерии и архебактерии, как выяснилось, две большие разницы, но по строению клетки, размножению и образу жизни многие из них похожи. Недаром, чтобы понять, что это очень разные формы жизни, пришлось углубляться в молекулярное строение и особенности обмена этих существ. Поэтому для начала мы расскажем об общих чертах прокариот.

Прокариота – клетка, но клетка более примитивная, чем любая клетка нашего с вами организма. Как и у всякой клетки, у прокариоты имеется плазматическая мембрана – это такая хитрая пленка, которая не дает содержимому клетки растекаться, обеспечивает поступление в клетку одних веществ и удаление других, а кроме всего прочего служит местом протекания множества биохимических реакций. Плазматическая мембрана – вещь непрочная и большинство прокариот одето поверх мембраны клеточной оболочкой. Оболочка также имеет сложный состав, и, как и мембрана, это не просто пузырь, предохраняющий клетку от различного рода неприятностей. Клеточная оболочка, скорее, похожа по своему назначению на кожу животного. Она участвует в газообмене, в поглощении и выделении различных веществ. Кроме того в клеточных оболочках часто идут процессы «пищеварения» бактериальной клетки – поглощение и ферментативная обработка питательных веществ. Поверх оболочки многие бактерии имеют еще слизистую капсулу.

Строение клетки прокариот: 1 – клеточная стенка; 2 – клеточная мембрана; 3 – рибосомы; 4 —кольцевая молекула ДНК в цитоплазме; 5 – складки наружной мембраны; 6 – жгутики

Некоторые бактерии способны в неблагоприят-ных условиях отращивать особо толстую оболочку и «впадать в спячку». Такие «спящие» бактерии называются цистами. Другие – создают внутри себя толстостенную капсулу, содержащую в «сжатом» виде копию материнской клетки. Это образование называется эндоспорой. В случае всякого рода неприятностей носители эндоспор гибнут, но сами споры могут сохранять жизнеспособность в самых невообразимых условиях десятки, сотни, и даже тысячи лет, выжидая, пока судьба повернется к ним лицом.

Внутреннее содержимое прокариотной клетки – вода, белки, углеводы, нуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты – вся сложная смесь, необходимая для биохимической кухни, обеспечивающей жизнь и размножение бактерии. Но вот внутренних мембран в прокариотных клетках нет и, соответственно, нет и органелл – митохондрий, пластидов, эндоплазматической сети и самого ядра. Большинство реакций синтеза идет на плазматической мембране. Все это не значит однако, что метаболизм у прокариот менее сложен, чем у эукариот, у которых есть и ядро, и митохондрии и все прочее. Мало того, в области синтеза прокариоты способны на такие штуки, которые недоступны их потомкам, эукариотам. Например, только прокариоты (не все) могут фиксировать атмосферный азот. Поскольку азот – одна из важнейших составляющих белковых молекул, то существование всех остальных организмов планеты зависит от азотфиксирующих бактерий. Серы в живых организмах содержится, конечно, меньше, чем азота. Но и сера необходимый компонент ряда аминокислот и, соответственно, белков. И ни один живой организм, кроме прокариот, не может использовать серу в каком-либо ином виде, кроме как в виде солей серной кислоты – сульфатов. А практически все сульфаты, находящиеся в почвах естественных экосистем – продукт деятельности прокариот. И, наконец, только среди прокариот есть создания, способные извлекать энергию из минеральных веществ, таких, как азот, сера, соединения железа, водород, сероводород.

Формы клеток бактерий: 1 – кокки; 2 – стафилококки; 3 – стрептококки; 4 – спирохета; 5 – вибрионы; 6 – палочки

Некоторые прокариоты неподвижны, они разносятся движением воды и воздуха и их благополучие зависит от счастливого случая. Но многие способны активно передвигаться. Некоторые спирохеты и вибрионы передвигаются за счет изгибов тела. Есть бактерии, которые выделяют обильную слизь и волнообразными движениями оболочки гонят ее назад, создавая своего рода «реактивную тягу». Но есть у прокариот и специальные органы передвижения – жгутики. У эукариотных клеток жгутики – обычная вещь. Но жгутики бактерий устроены совершенно иначе. Длина жгутика может превышать длину бактериальной клетки и состоит этот жгутик из извитой молекулы белка. Эта молекула несет на одном конце своего рода кольцо, которое расположено в особой белковой «муфте» в клеточной оболочке. За счет разности электрических потенциалов в муфте и кольце жгутик вращается по тому же принципу, как сердечник электромотора. Это совершенно уникальный случай, когда живое существо использует принцип колеса. Скорость движения бактерий, обладающих жгутиками, порядка 20 микрон в секунду – весьма приличная скорость, аналогичная скорости 20–30 метров в секунду (более 70 км/час) для лошади.

Как-то принято считать, что общественная жизнь и коллективные действия – удел существ высокоразвитых. На самом же деле склонность к объединению обнаруживается уже у прокариот. Миксобактерии – организмы, двигающиеся «реактивным скольжением» в собственной слизи. Они вполне способные вести одиночную жизнь, каковую и ведут сплошь и рядом в почве, в разлагающихся растительных остатках и в мелких лужах. Однако чаще они встречаются скоплениями. Такое скопление – тонкая слизистая пленка, в которой содержатся тысячи и миллионы бактерий – согласованно движется по поверхности субстрата и, встретив что-либо съедобное, накрывает собою и переваривает при помощи дружно выделяемых ферментов. Попав в неблагоприятные условия, такое скопление стягивается и выпячивается, сначала бугорком, а потом этот бугорок превращается в деревце, на ветвях которого сидят округлые «плоды». Размер «деревца» не так уж и мал, «деревце» может достигать миллиметра в высоту. Ствол и ветви состоят из огромного количества погибших бактерий, а плодовые тела содержат споры – часть членов колонии, впавших в спячку до лучших времен.

Гастрономические причуды

Форма клетки, строение клетки, способ передвижения, способ размножения – разнообразие всех этих признаков и свойств у прокариот, в общем, невелико. С точки зрения нормального человека, привыкшего классифицировать объекты по их строению, разложить прокариот по полочкам не составляет труда. Увы, это приятное заблуждение профана. Другой такой запутанной области, как систематика прокариот, в естественных науках, пожалуй, не существует. Дело в том, что привычные мерки, с которыми систематики подходят к грибам, паукам, крокодилам и прочим эукариотам, в мире прокариот не годятся. Разнообразие эукариот – это действительно в основном разнообразие строения, биохимическая же основа у всей этой публики одинакова до противного. А вот у прокариот – все наоборот. Их разнообразие – это разнообразие биохимических процессов и, соответственно, разнообразие процессов питания и дыхания.

Прежде всего прокариоты способны получать энергию не двумя, а тремя разными способами: использовать энергию солнечного света (фототрофы); использовать энергию окисления минеральных веществ (хемотрофы); получать энергию за счет окисления органических веществ (органотрофы).

Изучение прокариот продвигается медленней, чем хотелось бы, как раз потому, что они способны существовать в самых немыслимых условиях. От дохлой прокариоты бактериологу мало пользы, поскольку внешне все они довольно однообразны. А вот чтобы изучить особенности их обмена, их нужно вырастить в культуре. А вы представляете себе, что такое создать культуру организмов, живущих в абсолютной темноте, при давлении в 500 атмосфер, питающихся водородом и требующих температуры 200 °C? Именно поэтому, например, анаэробные бактерии до сих пор изучены существенно хуже кислородных, а хемосинтетики – хуже органотрофов. Иной раз у бактериологов просто фантазии не хватает, чтобы создать условия, в которых будет расти какой – либо вид бактерий. И потому эти бактерии науке до сих пор не известны.

Среди фототрофов есть автотрофы, которые синтезируют органику из минеральных соединений. Одни производят углеводы из углекислого газа и воды, подобно зеленым растениям. А есть и такие, которые вместо воды пользуются совершенно другими соединениями, например сероводородом. Ну, это еще куда ни шло. Так ведь некоторые фототрофы используют в качестве источника углерода углекислый газ, но источником водорода вместо воды сероводорода или другого минерального соединения у них служат спирты или органические кислоты. То есть они «фото», но уж; никак не «авто», поскольку нуждаются в готовой органике. Для этой публики придумано название «фотогетеротрофы», хотя с гетеротрофными эукариотами все это имеет очень немного общего. Мало того. Есть среди фототрофных прокариот совершенно уникальные существа, которые используют энергию солнечного света не для синтеза топлива, а только для «зарядки» АТФ, а питательные вещества потребляют готовые. Эти создания настолько не лезут ни в какие ворота, что для их способа питания-дыхания даже названия соответствующего не смогли придумать.

Фототрофное питание

Хемотрофное питание

Хемотрофы получают энергию, окисляя неорганические вещества – аммиак, серу и ее соединения, соединения железа, водород. К хемотрофам относят и прокариот, окисляющих метан, хотя, строго говоря, метан – органическое соединение и большая часть метана на нашей планете есть результат деятельности метанообразующих архебактерий. Часть хемотрофов использует в качестве окислителя кислород. Но есть среди них и анаэробы, у которых окислителем служат другие вещества. Получаемая энергия аккумулируется в молекулах АТФ и далее обычно используется не для синтеза универсального топлива, а напрямую обеспечивает биохимическую кухню прокариоты. Вообще, хемотрофы в качестве источника углерода используют углекислый газ, поэтому к ним вполне применим термин «автотрофы». Но на самом деле у некоторых из них, например у метанообразующих архебактерий, механизм фиксации углерода настолько замысловат и необычен, что никаких аналогий с привычной схемой синтеза у автотрофных эукариот углядеть невозможно. И многие бактериологи предпочитают термин «хемолитотрофы».

Органотрофное питание

К органотрофам относятся прокариоты, которые получают энергию, окисляя органические вещества, и эти же вещества используют в качестве источника углерода. Собственно, в этой части своей жизнедеятельности они подобны нормальным гетеротрофам: привычных нам всем слонам, мухам, грибам и аскаридам. Однако, строго говоря, сходство это во многих случаях очень и очень поверхностное, потому бактериологи часто предпочитают термины «органотрофы» или «хемогетеротрофы». Дело в том, что у прокариот, это касается не только органотрофов, существуют такие наборы ферментов, такие метаболические пути и такие продукты метаболизма, которые эукариотам не приснятся и в страшном сне.

В Антарктиде, в пробах льда, взятых с глубины более 500 м, обнаружены вполне жизнеспособные бактерии, «оживающие» при повышении температуры. Возраст этих отложений – около 20 000 лет, то есть, вполне вероятно, бактерии вмерзли в лед, когда по Европе еще бродили стада мамонтов и шерстистых носорогов, на которых охотились наши волосатые предки. В той же Антарктиде существуют озера, укрытые толстым слоем нетающего льда. Сквозь лед и снег туда проникает некоторое количество света, и здесь существуют сообщества прокариот, группирующихся вокруг фотосинтезирующих цианобактерий.

Кто на земле главный?

Прокариоты – единственные существа, способные использовать в минеральной форме азот, серу, водород, – а эти элементы входят в состав всех белков. А кроме того, бактерия – основная группа организмов, разлагающая мертвую органику. Без них большая часть углерода планеты довольно быстро окажется связанной в многочисленных трупах животных и растений и высокоорганизованная жизнь на планете прекратится.

Общая масса прокариот на нашей планете выше, чем всех растений и животных вместе взятых. Геохимические циклы на поверхности планеты обслуживаются в первую очередь прокариотами. Если в один прекрасный, или, скорее, ужасный день с планеты исчезнут все прокариоты, то растения и животные просуществуют от силы пару лет, а большинство вымрет в течение нескольких месяцев. Если же вдруг исчезнут все эукариоты, то прокариоты будут благополучно существовать, как существовали они миллиарды лет до появления на Земле этих выскочек с клеточным ядром. Если смотреть в корень, не увлекаясь эффектной внешностью, то наша Земля была, есть и всегда останется миром, в котором властвуют прокариоты. И очень может быть, что наша старушка-планета просто не заметила два миллиарда лет назад появления эукариот, как не заметит и их исчезновения.

Внутренний мир эукариот

В чем разница?

По сути, эукариоты отличаются от прокариот двумя особенностями. Во-первых, ДНК эукариот собрана в особые структуры – хромосомы. Во-вторых, в эукариотических клетках существуют различные органы – обособленные части, выполняющие каждая свою функцию. Поскольку слово «орган» в биологии изначально применялось к частям многоклеточного организма, то органы клетки называют органеллами. Обособленность почти всех органелл заключается в том, что они окружены мембраной, а значит, в клетке эукариоты, в отличие от прокариоты, существуют внутриклеточные мембраны. Мембраны определяют, какие молекулы пропускать внутрь, а какие наружу, и в каком количестве. Вдобавок в мембрану встроены различные ферменты и на мембране идут многие биохимические процессы.

Ядро имеется у всех эукариотических клеток, неважно, является эта клетка самостоятельным организмом, вроде амебы или эвглены, или входит в состав организма многоклеточного. Впрочем, существуют и исключения. Зрелые эритроциты млекопитающих (красные кровяные тельца) ядер не имеют, равно как и некоторые клетки флоэмы у растений. Обычно ядро – самая крупная и заметная клеточная структура. Ядро окружено оболочкой, которая состоит из двойной мембраны. Оболочка пронизана специальными порами, через которые идет обмен различными веществами между ядром и остальной частью клетки. В полужидком «наполнителе» ядра – нуклеоплазме – расположены хромосомы.

Ядро, как и прочие органеллы, «плавает» в цитоплазме. Собственно, цитоплазма – это водный раствор различных веществ – солей, сахаров, аминокислот, нуклеотидов, ферментов и всего прочего хозяйства биохимической кухни. У многих типов клеток в цитоплазме существуют разно-образные течения, как течения в океане. Называется эта штука циклозом. В растворе цитоплазмы происходит и синтез некоторых соединений – нуклеотидов, жирных кислот, некоторых аминокислот.

Ядро окружают выросты наружной ядерной мембраны, образующие сложную систему сообщающихся каналов и сплющенных полостей – эндоплазматическая сеть. Именно в ней идет синтез липидов и синтезируются вещества, которые клетка выделяет наружу, в частности, пищеварительные ферменты, защитные вещества, гормоны.

Однако эндоплазматическая сеть не доводит транспортировку до конца. Доставка непосредственно на место осуществляется аппаратом Гольджи, еще одним типом клеточных органелл. Аппарат Гольджи – это стопка плоских выгнутых мембранных мешочков – цистерн. Выпуклой стороной стопка обращена к ядру. Ближняя к ядру цистерна образуется из сливающихся друг с другом мембранных пузырьков, отделяющихся от эндоплазматической сети. Образовавшаяся цис-терна медленно движется прочь от ядра, а на ее месте формируется следующая. На противоположном конце стопки крайняя цистерна тем временем снова распадается на пузырьки, которые направляются к тем или иным органеллам или к цитоплазматической мембране. Так что стопка постоянно наращивается на одном конце и «тает» на другом. Задача этого аппарата – доводка поступающих в него веществ до нужной потребителю кондиции и доставка потребителям. В частности, он преобразует прицепленные к белкам в эндоплазматической сети коротенькие углеводные цепочки.

В цитоплазме расположены еще и лизосомы – мембранные пузырьки, содержащий комплекс пищеварительных ферментов. Это мины замедленного действия. Стоит им лопнуть, как содержимое клетки будет благополучно переварено. Так и случается, когда клетка гибнет, отжив свое. Почему лизосомы лопаются только тогда, а не раньше, и как мембрана удерживает ферменты – спросите чего полегче. Процесс, когда клетка переваривает сама себя называется автолизом. Автолиз имеет место, кстати, не только в случае гибели клетки. В некоторых ситуациях клетки определенных частей тела по сигналу из центра кончают жизнь самоубийством. Например, когда необходимо рассосаться хвосту головастика, превращающегося в лягушку. Но это все экстраординарные события. Рутинная работа лизосом носит совсем не смертоносный характер. Они обеспечивают внутриклеточное пищеварение и уничтожают отработавших свое органелл, в первую очередь митохондрий. Эта штука называется автофагией. Когда срок службы митохондрии подходит к концу, клетка окружает ее мембраной. К образовавшейся автофагической вакуоли приближается лизосома, сливается с ней, и митохондрии приходит конец. Ну и, наконец, лизосомы могут транспортировать ферменты «на экспорт», для растворения соседних клеток.

И, наконец, ответим на вопрос, который у вас, наверное, уже вертится на языке – а каким образом все эти лизосомы и вакуоли передвигаются в цитоплазме туда, куда надо? Лапками гребут, что ли? Нет, конечно. Для перемещения органелл в эукариотической клетке есть специальные приспособления – микротрубочки. Это действительно трубочки, образованные из спирально упакованных молекул особого белка. Видны они только в электронный микроскоп. Эти трубочки образуют внутри клетки сеть, густую вокруг ядра и редеющую в периферических участках цитоплазмы. Эта сеть играет, в частности, роль скелета и «удерживают» определенную форму клетки. Если сеть нарушить (цитологи способны и на такой изощренный фокус), клетка приобретает шаровидную форму. Ну и, кроме того, сеть микротрубочек таскает органеллы из одного места в другое. Как она это делает – одному Богу известно, но если ее нарушить – перемещения прекращаются. Кроме того, из микротрубочек формируются так называемые базальные тельца, лежащие в основании ресничек и жгутиков – органов движения эукариотической клетки. Сами эти реснички и жгутики тоже состоят из пучка микротрубочек. И в этом их отличие от жгутика прокариот, который, если вы помните, состоит из жесткой белковой нити и работает по принципу электромотора.

Протисты

Кто такие протисты

Первое царство домена эукариот – это царство протист. Некогда в царство протист согнали всех одноклеточных, включая прокариот. Потом прокариот отделили и стали ломать голову, что делать с теми существами, которые в царстве остались. Беда заключалась в том, что провести пусть не совсем четкую, но хоть какую-то мало мальски определенную границу между протистами и другими царствами домена эвкарий не удавалось. Это только кажется, что все так просто – протисты одноклеточные, а все прочие многоклеточные. На самом деле между теми и другими существует масса переходных форм, от простых колоний, состоящих из пары десятков совершенно одинаковых клеток, до весьма сложных образований, включающих сотни и тысячи клеток, выполняющих разную работу.

Смутное время в домене эвкарий продолжалось до самого недавнего времени, до тех пор, пока в царство протист не депортировали множество подданных высших царств, которые не обладали хорошо выраженными тканями. Ткань – это группа специализированных клеток, одного типа или разных, выполняющая определенную работу – например, обеспечивающих перенос питательных веществ, или дающих опору и защиту телу или отдельным органам (соединительная ткань), или обеспечивающие движение (мышечная ткань) и так далее. Было принято решение: все эукариоты, не обладающие тканями – протисты. Когда депортация была завершена, границы стали гораздо более четкими, а пограничные конфликты в среде биологов пошли на убыль. Хотя сейчас все возвращается на круги своя, на основании данных о строении клеток, белков и хромосом система царств активно пересматривается. Но мы пока в эти новшества вдаваться не будем.

Хотя, надо сказать, что и в старой системе все далеко не так просто. Биология имеет дело с объектами, которые эволюционируют, изменяются, причем медленно и постепенно. И провести грань между «уже тканью» и «еще не тканью» бывает невозможно. Например, некоторые водоросли обладают системой клеток, очень похожей на проводящую ткань растений.

Строение листа растения (А) и слоевища водоросли (Б)

Но их ближайшие родственники могут таких «тканей» не иметь, и при этом сохранять все фамильные признаки водорослей. И если у продвинутых членов группы эти «ткани» отобрать, они просто превратятся в своих «бестканевых» родичей. Иногда это можно проделать буквально, хирургическим путем, и водоросль будет благополучно существовать. А вот лишить тканей дуб, папоротник или мышь невозможно. Мышь, это система тканей, без них она перестанет быть мышью. Мало того, существует царство грибов, у которых, хоть тресни, настоящей тканевой организации нет. Но и от всех прочих «бестканевых» организмов они отличаются, отличаются механизмом клеточного деления, которого нет ни у одной другой группы живых существ. Вообще, наиболее точный ответ на вопрос, кто такие протисты, следующий – это все живые существа, которые обладают клеточным ядром, для которых ткани не являются предметом первой необходимости и которые не относятся к грибам. Смех смехом, но такой подход к делу очень упрощает ситуацию.

Дополнительные конструкции

Протисты – эукариоты, и у них есть все, что положено нормальной эукариотной клетке. Однако типовой проект часто дополняется различными конструкциями, которые позволяют одноклеточной протисте существовать в этом непростом мире.

Прежде всего, большинство протист одето, помимо цитоплазматической мембраны, клеточной оболочкой. Эта оболочка, как и клеточная оболочка прокариот, прежде всего защищает клетку от повреждений. Но ее роль этим не ограничивается. Клеточная оболочка активно участвует в поглощении, транспорте и выделении веществ, то есть это не мертвая броня, как раковина у моллюсков, а вполне жизнедеятельный орган, подобный коже животных.

Давайте посмотрим, из чего же состоит клеточная оболочка. У некоторых протист, в основном фотоавтотрофных, эта «кожа» состоит из полисахаридов, ее основой являются волокна из молекул целлюлозы или хитина, сплетенных в более или менее плотный каркас. Клеточная оболочка может для прочности пропитываться известью или кремнеземом, превращаясь в настоящий панцирь. У других, в основном гетеротрофных, под цитоплазматической мембраной лежит густое сплетение белковых молекул – пелликула.

Инфузория бурсария

«Кожа» не мешает протисте впитывать через мембрану жидкую пищу. Такой тип питания называется пиноцитоз. Но многие одноклеточные питаются довольно крупными твердыми частицами – это называется фагоцитоз. И у протист, которые обзавелись плотной «кожей», но не захотели отказываться от питания крупными частицами (например, многие жгутиковые, инфузории), возник «рот» – постоянное отверстие в оболочке. Рот одноклеточных называется цитостом. Здесь цитоплазматическая мембрана впячивается внутрь клетки конусом. Называется этот конус глоткой, и именно на конце глотки и образуется пищеварительная вакуоль. Пища в глотку загоняется часто жгутиками или ресничками, а у некоторых протист в глотке есть даже «зубы» – палочки из микротрубочек. Этими «зубами» протиста разрывает клеточную оболочку бактерий, которыми питается.

Амебы и их родня

Амеба, известная каждому из школьного учебника зоологии, относится к отделу саркодовых, классу корненожек. Амебы – убежденные одноклеточные одиночки. Найти их можно практически повсюду, где есть вода и пригодные в пищу частицы. В общем, неважно какие. Бактерии, мелкие собратья протисты, частички мертвой органики – все идет в дело, корненожки не привередливы. Они живут в почве, на дне морей и озер, ползают по водным растениям, некоторые с комфортом устроились в кишечнике позвоночных.

Амеба

О внутреннем строении амеб рассказывать, наверное, не стоит – оно достаточно подробно описано в учебнике. В общем, это типичная эукариотическая гетеротрофная клетка, окруженная мембраной и не имеющая плотной клеточной стенки. Поскольку амеба существо, по сути, жидкое, то и передвигается она путем «перетекания». В направлении движения вытягивается отросток – псевдоподия. Содержимое клетки переливается в отросток, и амеба смещается вперед на длину псевдоподии. Псевдоподии используются и для захвата пищевых частиц. Питаются амебы путем фагоцитоза, а «пьют» путем пиноцитоза.

Раковинные амебы

Ближайшие родственники амеб – фораминиферы, обитатели морей. Их плотная клеточная оболочка имеет самую разную форму – кувшинчика, трубочки, конуса, «улитки» и множество других, для описания которых нет слов. Раковина состоит из хитина, но у продвинутых фораминифер она пропитана углекислым кальцием, веществом, из которого состоят раковины моллюсков и кости позвоночных. Когда фораминифера гибнет, пропитанная известью раковина опускается на морское дно. Накапливаясь на протяжении тысяч и миллионов лет и постепенно уплотняясь, фораминиферовый ил превращается в тонкозернистые известняки. В частности, писчий мел состоит почти целиком из спрессованных раковинок этих созданий, живших в морях более ста миллионов лет назад.

Фораминиферы

Вообще же, фораминиферы очень древние существа, их раковинки находят в отложениях докембрия, имеющих возраст свыше полумиллиарда лет. Для каждого периода земной истории характерен свой набор видов фораминифер, и по форме раковин можно определить, к какому периоду относятся те или иные отложения.

Всякий сброд со жгутиками

Многие протисты обладают во взрослом состоянии жгутиками и способны активно передвигаться. Всех таких протист некогда объединяли в одну группу – жгутиковые, они же флагелляты, они же мастигофоры. Но постепенно, по мере того, как становились известны подробности строения и метаболизма этих созданий, группа разваливалась на части. Оказалось, что многие жгутиковые вообще, по-видимому, не состоят друг с другом в близком родстве. Похоже, что жгутики были приобретены еще самыми первыми эукариотами и, соответственно, эти жгутики имелись у предков всех групп современных протист. Часть из них, например, амебы, эти жгутики утеряла полностью, другая часть сохранила жгутики только для жизни на определенной стадии цикла. Обычно жгутики сохраняются у гамет, которым требуется перемещаться в поисках пары. А некоторые протисты, самого разного происхождения, от жгутиков отказываться не стали. Вот этих-то разноплеменных созданий и свалили некогда в одну кучу, назвав жгутиковыми. Однако постепенно микробиологи разобрались в их происхождении и разделили на несколько отделов.

Из сбродной толпы жгутиковых мало-помалу отделялись самостоятельные отделы. Например, отдел хризофитов (золотистые водоросли) выделился из мастигофор. Довольно многие жгутиковые, как оказалось, являются членами древнего и почтенного отдела зеленых водорослей. А все, что осталось, оказалось сваленным в один отдел зоомастигофор (то есть «животноподобных жгутиковых»).

Один из наиболее известных представителей жгутиковых, это эвглена. Эвглена, которую в школьных учебниках до сих пор пытаются отнести то к животным, то к растениям, на самом деле ни то и ни другое. Она относится к классу эвгленоидных из отдела зоомастигофор. Эвгленоидные – группа протист, почти исключительно пресноводных, в которую входит около 800 видов и которая от всех прочих зоомастигофор отличается по большому счету только одним – наличием хлоропластов. Наличие хлоропластов и состав хлорофилла, такой же как у зеленых водорослей и растений, сбивает с толку. Но, по-видимому, эвглены приобрели свои хлоропласты независимо от зеленых водорослей, просто они заглатывали тех же бактерий, что и предки этих водорослей. Точнее, не тех же, а похожих.

Эвглена

Многие виды способны прекрасно существовать в полной темноте только за счет гетеротрофного питания. Мало того, есть виды, живущие в отложениях ила, у которых хлоропластов не бывает вообще. Забавней всего, что, когда пищи много, некоторые эвглены начинают делиться быстрее, чем хлоропласты. Появляются лишенные хлоропластов особи, которые могут благополучно существовать и размножаться. Пока еда не кончится. У зеленых эвглен в основании жгутика есть особое фоточувствительное вздутие, экранированное с одной стороны специальным тельцем – стигмой. Стигма содержит оранжевый пигмент, в результате эвглена способна различать, с какой стороны на нее падает свет. С помощью этого «глаза» эвглена ориентируется и может выбирать места с подходящей освещенностью. У бесцветных эвглен, лишенных хлоропластов, стигмы нет. И это понятно: зачем она им нужна, если они не занимаются фотосинтезом и в темноте им не хуже, чем на свету.

Профессиональные паразиты

Ещё две группы протист, ранее относившихся к царству животных, – споровики и книдоспоридии – ведут исключительно паразитический образ жизни. Мы расскажем здесь только о некоторых споровиках. К споровикам относятся завоевавшие мрачную славу возбудители малярии и менее известные широкой публике грегарины, саркоспоридии и кокцидии. Грегарины – паразиты кишечника беспозвоночных. С позвоночными они дела иметь не желают, вреда человечеству не приносят и потому эти странные существа известны только узкому кругу зоологов.

Грегарина

Нормальный человек, встретив грегарину (а некоторые из них достигают полутора сантиметров в длину), никогда не подумает, что перед ним одноклеточное. Больше всего грегарины напоминают червей – и тело у многих длинное, да ещё вдобавок и членистое, и ползать они умеют, извиваясь, и передний отдел вооружен крючочками, которыми грегарина цепляется за стенки кишечника. Тем не менее грегарина – вполне добропорядочная одноклеточная протиста. Крючки и нити, которыми она прикрепляется к стенкам кишечника, образованы внешним уплотненным слоем эктоплазмы. Этот слой – кутикула – одевает и все тело грегарины. В студенистой эктоплазме, лежащей под кутикулой, у многих грегарин расположены кольцевые и продольные волокна, за счет сокращения которых грегарина и ползает.

Надо сказать, что грегарины, в общем, самые безвредные из споровиков. Почти все остальные члены этого племени – внутриклеточные паразиты, доставляющие своим хозяевам массу неприятностей.

Малярийный комар

Например, малярийный плазмодий, попадая в организм при укусе комара, разрушает красные эритроциты – клетки крови, которые переносят кислород из лёгких к тканям тела. Недостаток эритроцитов в крови может привести к опасной болезни – малокровию.

Малярия – одна из самых страшных болезней, в тропических районах она до сих пор уносит около миллиона жизней ежегодно. Ещё совсем недавно это число измерялось десятками миллионов – малярия губила больше людей, чем самые жестокие войны. Вы никогда не задумывались, почему в России ещё сто пятьдесят лет назад неугодных людей правительство ссылало на Кавказ? Ведь курортные же места. Конечно, тогда на Кавказе, как и сейчас, шла война. Но дело было не только в войне. В народных песнях в те времена Кавказ назывался «погибельным». Во многих местах гарнизоны сменялись чуть ли не ежегодно, войска вымирали от малярии.

Верх совершенства

Инфузории устроены сложнее всех других одноклеточных организмов. Они имеют два ядра, а некоторые и больше. Одно ядро крупное, называется макронуклеусом, другое поменьше – микронуклеус. Макронуклеус буквально набит длинными и короткими обрывками хромосом, это своего рода «мешок с генами». Гены эти хранятся там в беспорядке, но это не мешает макронуклеу-су активно участвовать во внутриклеточных делах. Именно гены макронуклеуса определяют процессы синтеза в клетке и, соответственно, структуру этой клетки и ее изменения.

Разнообразие инфузорий: 1 – инфузория-туфелька; 2 – инфузории, живущие в песке на морском побережье; 3 – хищная инфузория дидиний, поедающая туфельку; 4 – сидячая инфузория трубач; 5 – сидячие инфузории сувойки

Когда инфузория-туфелька плывет, согласованно гребя покрывающими ее тело ресничками, или брюхоресничная инфузория шустро бегает по дну, перебирая «ножками» – пучками длинных ресничек (они называются цирры), то движения ее отнюдь не бесцельны. Расположенные в мембране хеморецепторы позволяют «чуять» врага или добычу на довольно приличном, по меркам одноклеточных, расстоянии. В зависимости от получаемых сигналов инфузория останавливается (реснички перестают грести), поворачивается (реснички с разных сторон тела начинают грести в разном направлении), может двигаться задом наперед (реснички начинают грести в обратную сторону). Когда добыча настигнута, ряды ресничек, окружающих цитостом, загоняют ее в глотку.

Все эти сложные действия определяются в значительной степени быстрыми изменениями биохимических процессов. А всякое изменение биохимических процессов – это изменение набора ферментов. А ферменты синтезируются по программам, содержащимся в генах. А гены в данном случае содержатся в макронуклеусе. Так что макронуклеус играет в некотором роде роль «мозга» – органа управления текущими реакциями организма инфузории. И, вероятно, чтобы обеспечить быстрое реагирование, он и набит огромным количеством копий наиболее «ходовых» программ.

Инфузории живут в морях, в прудах и озерах, в почве, в лесных лужах, в грунтовых водах и в пищеварительном тракте животных. Среди этого обширного племени есть вполне мирные создания, своего рода коровы и овцы микромира, которые питаются исключительно одноклеточными водорослями. Но таких сравнительно немного, значительно больше среди инфузорий видов со смешанным питанием, которые едят любую мелочь, которая подвернется – бактерий, одноклеточных водорослей, амеб, мелких жгутиковых. Но есть инфузории, которые охотятся на крупную дичь – львы и тигры мира одноклеточных. Цитостом таких «тигров» может быть вооружен «клыками» – особыми выростами, крюками и стилетами, с помощью которых разрушается клеточная оболочка жертвы. Но чаще «тигр» «плюет» на жертву ферментами, которые растворяют оболочку. Есть инфузории, которые нападают даже на турбеллярий, ресничных червей. Есть среди инфузорий и паразиты. В кишечнике человека и свиней, например, встречается инфузория балантидий, которая может вызывать очень тяжелые заболевания.

Впрочем, не все инфузории, живущие в пищеварительном тракте, обязательно паразиты. В рубце копытных инфузории кишмя кишат, нормальная корова носит в своем желудке около двух килограммов этих созданий. Инфузории, наряду с многочисленными бактериями, перерабатывают растительную массу, а корове, фактически, остается только употреблять приготовленную сим-бионтами питательную смесь.

Одноклеточные водоросли

хризофиты – отдел одноклеточных протист, носящих название водорослей. Это преимущественно фотосинтетики, обладающие хлоропластами коричневого или золотистого цвета. Этот цвет им придает особый золотистый пигиент, маскирующий зеленый цвет хлорофилла, которого у хризофитов тоже хватает. Две самые крупные группы хризофитов, это золотистые и диатомовые водоросли. Очень многие золотистые водоросли имеют панцирь или скелет из кремнезема, большинство обладает жгутиками и способны активно передвигаться. Способность к фотосинтезу отнюдь не всегда гарантирует мирный характер золотистых. Многие хищничают, заглатывая бактерий и своих более мелких собратий.

Золотистые водоросли

Золотистые водоросли многочисленны как в пресных, так и в соленых водах от полярных широт до тропиков и являются пищей многих рыб. Диатомовые водоросли в жизни рыб играют еще большую роль. Эти одноклеточные создания – основная пища мальков очень многих видов рыб, как морских, так и пресноводных. Диатомеи в огромном количестве населяют моря, пруды, озера, болота и просто лужи и канавы. Жгутики у диатомей отсутствуют, но зато почти все они обладают необыкновенно изящным кремневым панцирем.

Динофлагелляты – еще один отдел одноклеточных протист, относимых к водорослям. Хлоропласты динофлагеллят произошли, вероятно, от той же группы бактерий, от которых произошли пластиды золотистых и бурых водорослей. Они очень похожи по составу пигментов и также имеют коричневый или золотистый цвет. Впрочем, довольно многие виды хлорофилла не имеют и вынуждены питаться бактериями. Это, кстати, многим из них явно не по душе и некоторые бес-цветные динофлагелляты исхитряются вернуться в автотрофное состояние, вступая в симбиоз с цианобактериями, которые поселяются внутри их клеток.

Динофлагелляты владеют двумя жгутиками и способны активно передвигаться (хотя встречаются и неподвижные, лишенные жгутиков виды). Некоторые из них выделяют необыкновенно мощные яды, действующие на нервную систему позвоночных. Зачем им это надо – одному Богу известно, поскольку каждой конкретной динофлагелляте это никакой пользы не приносит, она слишком мала, и яда выделяет слишком мало, чтобы съевшая ее рыба почувствовала себя нехорошо. Но для морских динофлагеллят известны резкие вспышки численности. Причины этих вспышек понятны плохо, но от этого никому не легче. Численность этих водорослей может возрастать до такой степени, что вода приобретает красный цвет. И вот тут-то приходится плохо не только рыбам, которые гибнут иногда в таком количестве, что сотнями тысяч покрывают пляжи. Плохо приходится и людям, которые динофлагеллят не едят, но едят моллюсков. Моллюски, в отличие от рыб, не дохнут, а накапливают яд в своих тканях. Покушав мидий или устриц, пойманных в районе вспышки, любитель морепродуктов рискует отправиться на тот свет.

Диатомовая водоросль: 1 – створки панциря; 2 – цитоплазма

Красные и бурые водоросли

Речь в этой главе пойдет о многоклеточных водорослях, красных и бурых, ранее принадлежавших к царству растений. Эти два отдела протист, как недавно выяснилось, вообще не родственники друг другу (равно как и водорослям зеленым). Они основательно отличаются по строению, по особенностям митоза, по некоторым другим признакам. Каждый из этих отделов имеет своих собственных предков – каких-то гетеротрофных эукариот, вступивших около миллиарда лет назад в симбиоз с фотосинтезирующими бактериями. Причем с разными бактериями. Насколько можно судить по составу хлорофилла и некоторым особенностям фотосинтеза, у красных водорослей предками хлоропластов были, вероятно, какие-то древние цианобактерии, а у водорослей бурых – бактерии, напоминающие некоторых современных пурпурных архебактерий.

Красные водоросли, или багрянки – весьма крупная группа, предпочитающая тропические моря. Немногие виды, правда, проникают и в высокие широты, и даже в пресные водоемы. Хотя багрянки не могут похвастаться эффектной внешностью и крупными размерами, но в морях число видов этих невзрачных существ больше, чем других водорослей вместе взятых. Ветвящееся тело красных водорослей состоит из переплетенных многоклеточных нитей, которые скреплены общей плотной желеобразной массой межклеточного вещества.

Внешне красные водоросли больше всего напоминают невзрачные мхи или лишайники. Славятся они и тем, что это самые глубоководные фотосинтетики на нашей планете. Есть виды, растущие на глубинах около трехсот метров, где освещенность составляет всего половину стотысячной (0,0005 %) освещенности на поверхности моря! Как они ухитряются фотосинтезировать при такой освещенности – неизвестно.

Красная водоросль порфира

Бурые водоросли – обитатели морей, причем предпочита-ют холодные воды. Это, в основном, довольно крупные создания, а некоторые – очень крупные. Среди бурых водорослей есть виды, достигающие шестидесяти, семидесяти метров в длину. Когда речь идет о подводных лесах, о зарослях водорослей, имеются в виду как раз водоросли бурые. К бурым водорослям относится, в частности, ламинария – всем известная морская капуста.

Тело бурой водоросли (слоевище) – напоминает лист или фестончатую ленту на черешке. На конце «черешка» – отростки, напоминающие корни, которыми водоросль крепится к грунту. Цвет может быть, действительно, бурым, но чаще вполне нормальный, зеленый. Крепятся ко дну не все бурые водоросли, есть среди них плавающие, например, знаменитые саргассовые водоросли, образующие в некоторых местах огромные скопления на поверхности моря.

Бурая водоросль саргассум

Жизненные циклы у бурых водорослей довольно сложны и разнообразны, но, в общем, принадлежат к третьему типу, типу спорического мейоза, когда чередуется два многоклеточных поколения, гаплоидное и диплоидное. Некоторые бурые водоросли имеют продольные тяжи из особых клеток, по которым питательные вещества из слоевища поступают в «черешок». Это настоящая проводящая ткань, такая же по устройству, как у растений. Вы можете спросить – коль скоро у бурых водорослей формируются ткани, то что они делают в царстве протист? Ну, во-первых, проводящая ткань имеется далеко не у всех бурых водорослей. Во-вторых, даже у тех, у кого она имеется, это единственный тип действительно специализированных соматических клеток. И по всей совокупности признаков бурые водоросли вполне вписываются в царство протист.

Предки растений

Зеленые водоросли – самая разнообразная и многочисленная группа водорослей, но, в отличие от своих красных и бурых тезок, это в пер-вую очередь обитатели пресных вод. Впрочем, несколько групп зеленых водорослей обитают в морях, а кроме того среди них довольно много созданий сухопутных, которые живут в снегу, в почве, на поверхности камней и на стволах деревьев. Среди зеленых водорослей есть одноклеточные, есть микроскопические нитчатые формы, есть многоклеточные, достигающие десятка метров в длину. Среди них есть подвижные, передвигающиеся с помощью жгутиков, есть пассивно плавающие в толще воды, есть прикрепленные к субстрату.

Зеленые водоросли имеют мало общего с бурыми и красными, кроме, разве что, названия и принадлежности к одному царству. У них были свои собственные предки и свои собственные предки были у их хлоропластов. Зеленые водоросли – древняя группа. Ископаемые остатки, очень похожие на одноклеточные зеленые водоросли, найдены в отложениях с возрастом около одного миллиарда лет. Их красные и бурые тезки появились в морях планеты на пару сотен миллионов лет позднее. У зеленых водорослей есть ряд важных особенностей, общих с растениями. Прежде всего, у них одинаковый состав хлорофилла и, кроме того, они, как и растения, накапливают запасы крахмала внутри пластид.

Как и растения, зеленые водоросли обладают жесткой клеточной стенкой из целлюлозы. Один из классов – харофицеи – самая древняя группа зеленых водорослей, и именно она, вероятно, дала миру царство растений. Некоторые группы харофицей, помимо уже перечисленных особенностей сходства с растениями, обладают и другими родственными чертами. У них весьма специфический тип клеточного деления, неизвестный ни у каких других протист, но характерный также для всех растений. У них имеется ряд уникальных ферментов, свойственных также и растениям, но не обнаруженных у каких-либо других водорослей.

Двойники грибов

Два отдела протист – оомицеты и хитридиомицеты – до противного похожи на грибы, они очень долго считались полноправными подданными грибного царства, и выдворить оттуда эту публику удалось только после углубленного исследования ее подноготной. Как и у полноправных грибов, тело этих протист представляет собой мицелий – пучок ветвящихся нитей, гиф. Обычно гифы – это просто «трубочки», наполненные цитоплазмой и содержащие множество ядер. И даже когда в трубочке есть перегородки, то есть гифа поделена на «отсеки», в этих перегородках (септах) имеются отверстия, и цитоплазма свободно гуляет туда и сюда по всему мицелию.

Но вернемся к двойникам грибов. Если они так на грибы похожи, то чего ради их попросили из грибного царства? Прежде всего потому, что хромосомы этих созданий устроены как хромосомы большинства нормальных эукариот и совсем не похожи на весьма специфические хромосомы грибов. Клеточные стенки оомицетов укреплены целлюлозой, тогда как у грибов для этих целей используется хитин. Хитридиомицеты, впрочем, и здесь подделываются под грибы, но особенности хромосомного аппарата и деления выдают их с головой.

Хитридиомицет: А – зооспоры; Б – покоящиеся спорангии; В – спорангии в тванях капусты

Большинство всей этой публики нормальные сапротрофы, то есть они питаются мертвой органикой. Но есть среди них и довольно зловредные создания. В частности, некоторые виды сапролегний хорошо известны аквариумистам, поскольку норовят расти на коже рыб. Поражают они также икру и кожу амфибий. Один из самых известных оомицетов – фитофтора.

Все фитофторы, а их на свете около четырех десятков видов, злостные паразиты растений. Они поражают какао и ананасы, эвкалипты и яблони, табак, лук, землянику и десятки других растений. Наибольшей славой пользуется фитофтора инфестанс, любительница растений из семейства пасленовых, особенно картофеля.

Некогда фитофтора разгромила целую страну – Ирландию. Летом 1846 года все посадки картофеля в Ир-ландии погибли в течение нескольких недель. Картофель в этой стране в те времена был главной пищей сельского населения (да и сейчас это самая «картофельная» страна мира, по потреблению картошки с ней можем соперничать только мы). Наступил голод, около миллиона человек погибло, около двух миллионов были вынуждены эмигрировать в Америку. Население страны сократилось почти вдвое.

Фитофтора – гифы со споран-гиями, высовывающиеся из устьиц листа картофеля

Суперамебы

Миксомицеты – странные существа, к которым, строго говоря, неприменимы понятия «одноклеточные» или «многоклеточные». Это текучая масса протоплазмы, одетая лишь плазматической мембраной и тонкой слизистой оболочкой. В протоплазме содержится множество диплоидных ядер, ничем друг от друга не отделенных. Называется эта штука плазмодием.

Плазмодий движется, подобно большой амебе, попутно захватывая и переваривая бактерий, одноклеточных протист, частички разлагающейся органики. Ядра делятся путем митоза, плазмодий растет и может достигать массы хорошо откормленной мыши – порядка 30 граммов. Поскольку вся эта масса растекается по поверхности тонкой пленкой, то плазмодий может занимать около квадратного метра поверхности. И при необходимости это внушительное существо, не теряя единства, способно просочиться через тонкую ткань или промокашку.

Рост плазмодия продолжается, пока хватает пищи. Когда все съедено, он пускается в дальний путь, и тогда его можно встретить в довольно неожиданных местах. Когда с едой совсем плохо, плазмодий останавливается и распадается на множество обрывков. Каждый обрывок «собирается в кучку», из «кучки» вырастает стебелек, а на вершине стебелька образуется спорангий. Все вместе очень напоминает плодовые тела некоторых грибов. В спорангии ядра приобретают клеточные стенки и делятся путем мейоза. Из четырех образовавшихся гаплоидных ядер в споре остается только одно, остальные «рассасываются». В подходящих условиях из споры выходит маленькая гаплоидная амебка или клетка с одним, двумя жгутиками. Это вполне самостоятельный организм, который не просто бегает в поисках пары, высунув язык, как положено гаметам, а ведет трудовую жизнь – питается. Две такие клетки, встретившись, сливаются, потом сливаются их ядра и амебка становится диплоидной. Она продолжает питаться, ядра начинают делиться, плазмодий растет, матереет, пока снова не наступит голодное время. У некоторых видов миксомицетов ядра могут начать делиться и в гаплоидной амебке-гамете, тогда из нее вырастает гаплоидный плазмодий, ничем по виду и поведению не отличающийся от диплоидного.

Миксомицет стемонитис: А – внешний вид спороношения; Б – фрагмент при сильном увеличении

Миксомицеты – обычные обитатели наших лесов, особенно широколиственных. Вообще же, эти создания любят тепло и влагу, поэтому их больше всего в тропических лесах, а в степях и пустынях их нет вообще. Даже полян они обычно избегают. Но в период миграций могут забрести в самые неподходящие места.

Грибы

Предки не обнаружены

Первые грибы, появившиеся некогда на планете, были, вероятно, одноклеточными организмами, а их предками были какие-то одноклеточные эукариоты, то есть протисты. Других предков у них просто не может быть. Однако ни одна из известных групп протист претендовать на роль предков грибов не может.

У грибов масса цитологических и генетических особенностей, которые никак не выводятся из существующих ныне протист, растений или животных. Ископаемые остатки, весьма напоминающие грибы, имеют возраст около одного миллиарда лет. Очень может быть, что грибы вообще были первыми на Земле многоклеточными эукариотными организмами. Но история возникновения грибов и их первые шаги по пути эволюции покрыты непроницаемым мраком.

Совершенно несомненные грибы известны из пород вендского возраста, то есть около шестисот миллионов лет назад грибы уже вполне были грибами. Грибы очень сильно отличаются от двух других «высших» царств эукариот – растений и животных. Ими занимается особая наука микология.

Микология не пользуется такой широкой известностью, как бактериология, зоология или ботаника, хотя грибы очень странная, во многом таинственная и необыкновенно важная группа живых существ.

Что такое гриб

Когда говорят слово «гриб», наше воображение рисует нам боровик, сыроежку или мухомор – короче, шляпку на ножке.

На самом деле, это плодовое тело некоторых грибов, нечто вроде яблока на яблоне. Шляпка и ножка состоят из спрессованных перепутанных нитей – гиф. Эти гифы – тонкие ветвящиеся нити, пронизывающие почву, и есть тело гриба, мицелий. Так что более всего гриб похож на комок паутины.

Строение тела гриба: 1 – гифы мицелия; 2 – гифы плодового тела; 3 – организм гриба в целом

Гифы, это, по сути, цепочки клеток, но перегородки между клетками могут отсутствовать, а если они есть, то обязательно «дырявые». Оболочка гиф состоит в основном из сложной смеси углеводов, как и клеточная оболочка растений, водорослей и многих бактерий. Каркасом, арматурой оболочки служит переплетение полисахаридных нитей, но этот полисахарид не целлюлоза, как у растений, а хитин – гораздо более устойчивое соединение, широко используемое в царстве животных (из хитина состоит панцирь членистоногих). Кстати, и запасной углевод у грибов не крахмал, как у растений, а гликоген, как у животных.

Есть среди грибов и одноклеточные формы, носящие название дрожжей. Дрожжи произошли в свое время от нормальных, многоклеточных грибов. Переход к одноклеточности совершался не раз в разных ветвях грибного царства, так что дрожжи – группа сборная.

Почкующиеся дрожжи

Размножаться грибы могут тремя способами. Способ номер один – чисто вегетативное размножение. Кусок гифы, в силу случая оторванный от основной массы мицелия, будет благополучно расти сам по себе. Перенос с комочками земли обрывков гиф с одного места на другое в природе дело обычное. Второй способ – бесполое размножение спорами. Споры грибов – это одетая оболочкой «спящая» копия родителя. Часто споры, как и мицелий, многоядерны. Прорастая, спора дает начало новому мицелию. И, наконец, размножение половое, когда образованию спор предшествует слияние двух особей и перемешивание признаков родителей.

Нитевидное тело делает грибы необычайно активными созданиями. Каждый участок мицелия непосредственно контактирует со средой всей своей поверхностью, выделяет в нее отходы собственного метаболизма и всасывает питательные растворы. При этом гриб выделяет в окружающую среду ферменты и всасывает «переваренную» вне его тела органику. Все грибы гетеротрофы, они или питаются мертвой органикой, или паразитируют на других организмах, или вступают с ними во взаимовыгодный союз – симбиоз. Есть среди грибов и настоящие хищники. Гифы некоторых видов выделяют вещества, которые парализуют мелких нематод – круглых червей, очень многочисленных в почве и гниющей органике. Гифы гриба опутывают обездвиженную жертву, проникают в нее и «высасывают». Такой охотой занимаются даже некоторые вполне добропорядочные грибы, которых на первый взгляд трудно заподозрить в хищнических наклонностях. Например, проделывает такие штуки вешенка, пластинчатый гриб, растущий на гниющей древесине, вкусный и весьма популярный во многих местах. У некоторых грибов на поверхности гиф выделяется клейкое вещество, к которому прилипает всякая мелкая живность, а некоторые грибы пошли еще дальше. Когда жертва (чаще всего та же нематода) проползает через особые петли гиф, эти петли мгновенно вздуваются, схватывая добычу, как капкан.

Невидимая сила

Впрочем, большинство грибов совершенно мирные создания. Однако, их роль в природе не меньше, чем роль гетеротрофных бактерий – грибы разлагают мертвое органическое вещество. Во многих местах именно грибы выполняют львиную долю этой важнейшей работы. Кроме того, грибы давно, еще на заре своей истории, вступили в тесный союз с растениями, и до сих пор содружество двух царств остается нерушимым. В некоторых ландшафтах грибы – основа существования всех других организмов. Когда вы гуляете в лесу, вам кажется, что главная сила здесь – деревья. Они регулируют влажность и температуру под пологом леса, удобряют своим опадом почву, синтезируют органические вещества и кормят массу насекомых, птиц, мышей и лосей, которые, в свою очередь кормят хищников и нас с вами. Но на самом деле деревья могут делать все это только благодаря густо пронизывающим почву гифам разнообразных грибов. Грибы не бросаются в глаза, а иногда без специального исследования вы вообще не обнаружите их присутствия, но лес существует только до тех пор, пока эти незаметные создания поддерживают союз с деревьями и травами. И дело не только в разложении органики, хотя без этого лес тоже не смог бы существовать.

Некоторое грибы играют ключевую роль в минеральном питании растений. Микориза – срастание гиф с корнями – характерна для большинства групп сосудистых растений, грибы с младенчества сопровождают большинство папоротников, хвощей, хвойных и цветковых.

Приростки сосны, развивающиеся в присутствии грибов (1) и без них (2)

Чуть ли не девяносто процентов всех растений леса, почти любого леса, неважно, в Костромской области, или в бассейне Амазонки, существует только благодаря микоризным грибам. Образует микоризу и большинство съедобных грибов – белые, рыжики, подосиновики, грузди, волнушки. Особенно важна микориза для обеспечения растений фосфором. Взамен растение снабжает гриб углеводами, а иногда и некоторыми другими продуктами собственного изготовления. Мало того, переплетение мицелия микоризных грибов переносит некоторые соединения от одного растения к другому. Возникает возможность обмена различными продуктами между растениями разных возрастов и даже разных пород. То есть переплетение гиф, это в прямом смысле сеть, связывающая воедино лесное сообщество.

Друзья и враги

Среди грибов масса очень для нас с вами полезных созданий. Ну, начнем с того, что среди них много съедобных. Ничуть не меньше таких, которые не употребляются в пищу непосредственно, но используются для ее приготовления. Благодаря дрожжам мы едим хлеб, пьем вино и кефир.

Плесень участвует в приготовлении многих блюд из сои – одного из основных продуктов питания во многих районах Дальнего Востока. Сыры рокфор и камамбер получаются при поселении на сыре определенных плесеней из рода пенициллиум. Но область гастрономии – отнюдь не главная область, в которой человек использует грибы.

Поскольку грибы питаются, в общем, тем же, чем сапротрофные бактерии, то отношения между ними весьма напряженные. И многие грибы синтезируют особые вещества, которые подавляют рост бактерий – антибиотики. Первый антибиотик, ставший известным человечеству – пенициллин, – был выделен из плесени английским врачом Александром Флемингом. Значительная часть антибиотиков, используемых медиками в наше время, тоже производится грибами.

Однако следует признать, что убытки, которые нам наносят грибы, впечатляют не меньше, чем их полезные качества. Любую мертвую органику гриб рассматривает, как пищу. А мертвая органика – это не только опавшая листва, поваленное дерево или дохлый воробей. С таким же аппетитом грибы набрасываются на деревянные дома, одежду, кожаные ботинки или кусок колбасы. Мало того что они уничтожают наши строения и наши запасы, так они еще и травят нас, причем весьма основательно. Речь не идет о мухоморах или бледных поганках, тут гриб не виноват, что вы его вздумали съесть. Но когда плесневые грибы борются с бактериями за место под солнцем в кастрюле с супом, они выделяют не только антибиотики, которые тоже для здорового человека вовсе не полезны. Многие продукты обмена плесневых грибов – мощнейшие канцерогены, а многие просто очень ядовиты. Кроме того, среди грибов много паразитов, которые с удовольствием селятся на человеке, вызывая разнообразные кожные болезни. Стригущий лишай, молочница и известный многим «грибок», поселяющийся на ногах, – лишь немногие из грибковых заболеваний.

Лишайники

Строение лишайников: 1 – водоросли; 2 – слой коры; 3 – слой водорос-лей; 4 – сердцевина

Грибы проявляют прямо-таки страсть к сожительству с представителями других царств. Кроме микоризы, о которой мы уже говорили, есть еще один плод этой страсти – лишайники. Лишайник – это плотное переплетение гиф гриба аскомицета, в котором заключены клетки цианобактерий или одноклеточных зеленых водорослей. Кончики гиф проникают в клетки сожителя, который обеспечивает их продуктами фотосинтеза. Что касается водоросли, то она, похоже, ничего полезного для себя из гриба не извлекает.

Обычно лишайники приводятся как пример симбиоза – взаимовыгодного союза двух организмов. На самом деле, это скорее не симбиоз, а паразитирование гриба на водоросли. Водоросли, входящие в состав лишайников, встречаются в природе и сами по себе, причем растут и размножаются на свободе они гораздо лучше. А вот те виды грибов, которые образуют лишайники, сами по себе расти не могут и в «чистом виде» не встречаются. Некоторые лишайники размножаются так называемыми соредиями – это маленькие комочки гиф, опутывающие клетку водоросли, которые отпочковываются от тела лишайника. Но чаще гриб размножается привычным для себя способом и молоденький мицелий опутывает гифами встреченную клетку водорос-ли. А если подходящей водоросли не подвернулось – гибнет.

Соредии: А – при сильном увеличении (1 – водоросли; 2 – гриб); Б – выход соредиев через разрыв стенки лишайника

Растут лишайники везде, от раскаленных пустынь до скал, выступающих из-под ледникового щита в центре Антарктиды. Живучесть лишайников объясняется, как ни странно, их способностью стремительно терять воду. Высыхает лишайник за пару часов. При этом верхняя корка становится плотной и непрозрачной, фотосинтез прекращается, лишайник впадает в своего рода анабиоз. В таком состоянии некоторые лишайники способны находиться годами, выдерживая температуры от плюс восьмидесяти (до такой температуры раскаляется поверхность скал в пустыне) до минус 80 (зимние температуры в центральных районах Антарктиды). Но стоит появиться росе или пролиться дождичку, лишайник оживает буквально за две, три минуты. А как только влажность начинает падать – снова впадает в спячку.

Жизненные формы лишайников: А – накипной; Б – листоватый; В – кустистый

Лишайник ориентируется на наличие воды, и при жизни в Антарктиде или в центре Австралии в этом есть глубокий смысл. Появление воды – это, одновременно, означает снижение (в пустыне) или повышение температуры. В иных пустынях дожди (или роса) случаются раз в несколько лет, причем через несколько дней все высыхает до исходного состояния. «Жаркие» дни в центре Антарктиды или в высокогорье, когда солнце нагревает поверхность скалы до такой степени, что она «отпотевает» – тоже очень большая редкость, и длится эта благодать недолго. Даже и не в столь запредельных условиях, скажем, на скалах Таймыра или Ставрополья, лишайник большую часть жизни проводит в спячке. Поскольку растут лишайники «урывками», то обычно рост идет очень медленно. Известны лишайники, которым, по приблизительным расчетам, должно быть более пяти тысяч лет.

Растения

Выход на сушу

Растения в целом – сухопутные существа. То, что мы называем водными растениями, это, в большинстве своем, вполне сухопутные создания, просто стоящие «по колено», «по пояс» или «по горло» в воде. Некоторые водные растения не стоят, а плавают, что дела не меняет. Но практически все они черпают углекислый газ и кислород из воздуха, а прочие минеральные вещества из грунта, со дна водоема, а не из воды, в отличие от водорослей. И даже те очень немногие, которые полностью погружены под воду, вроде элодеи, органы размножения обычно выносят на поверхность. Среди растений по-настоящему водных на свете – раз-два и обчелся. Собственно, все главные признаки и свойства растений – это приспособления, приобретенные их предками водорослями при выходе на сушу.

Море – колыбель жизни, большинство из нас усвоило это еще в школе. Однако возможно, первые формы жизни возникли не в море, а на суше, в почвенных растворах, и только потом проникла в море. Соответственно, на сушу из воды вышла не жизнь вообще, а жизнь многоклеточная. При этом, практически все сухопутные группы многоклеточных организмов вышли на берег не из моря, а из пресной лужи. Растения не исключение – их предками были пресноводные зеленые водоросли, по-видимому очень похожие на современные харовые водоросли. Обитали эти предки, вероятно, не в озерах и реках, а именно в мелководных лужах. Лужам свойственно периодически высыхать, и это служит очень мощным стимулом к выработке приспособлений для сухопутной жизни.

Посидония – водное цветковое растение

Завоевание суши зелеными водорослями началось очень давно, около полумиллиарда лет назад, в начале ордовикского периода. А уже из середины ордовика известны споры, очень напоминающие споры растений. А совершенно несомненные остатки растений появляются в силуре, в отложениях, имеющих возраст около 430 миллионов лет. В девонском периоде, около 400 миллионов лет назад, когда сушу начали осваивать наши предки амфибии, растения были уже многочисленны и разнообразны. Очень вероятно, что за покорение безжизненных берегов водоросли взялись не в одиночку, а в союзе с грибами. Тесный союз гриба и корня – микориза – ныне известен для огромного большинства (более 80 %) «высших» растений. Гриб снабжает растение минеральными веществами, а растение расплачивается за это углеводами. Похоже, что этот союз возник на заре времен и был одним из условий успеха завоевания суши.

Без чего на суше не обойтись

Жизнь водоросли, надо сказать, довольно проста, избыток проблем водоросль не обременяет. Особые органы питания не нужны, питательная среда – вода с растворенными в ней разно-образными веществами – окружает водоросль со всех сторон, и она «впитывает» необходимое, так сказать, всем телом. Хотя у некоторых, в основном крупных, водорослей и в воде возникают сложности. У многометровой ламинарии, например, верхняя часть освещена лучше, чем прикрепленная ко дну, и появляется необходимость транспортировки продуктов фотосинтеза из одной части слоевища в другую. При жизни на суше эта проблема встает в полный рост.

Из весьма приличного набора веществ, потребных живому организму, в воздухе в доступной для растения форме содержатся только углерод (в составе углекислого газа) и кислород. Прочие нужные вещества есть в почве, и растению на суше необходимо часть тела погрузить под землю, к источнику питания, а часть оставить на поверхности, под лучами солнца, иначе невозможен фотосинтез. Хочешь не хочешь, а нужно наладить транспортировку минеральных веществ из подземной части наверх.

Проблема номер два – жесткость тела. Под водой, какой бы ни свирепствовал на поверхности шторм, он ощущается лишь как мягкие движения воды. На суше ветра и ливни быстро растреплют мягкое слоевище многоклеточного в лохмотья. Вдобавок, свое тело фотосинтетику вообще лучше поддерживать в более или менее вертикальном положении, так можно расположить фотосинтезирующие части в несколько ярусов и более эффективно использовать солнечный свет. Требуются особые структуры, придающие телу жесткость. Ну и, наконец, на суше необходимы особые покровы, предохраняющие тело от высыхания. Все это ведет к возникновению групп специализированных клеток, которые отвечают за транспорт, за жесткость и прочность, за защиту. Возникают ткани. А именно ткани – это то самое, что отличает растения от водорослей и других протист.

Вечная жажда

Вода – штука любому организму совершенно необходимая. Живая клетка состоит более чем наполовину из воды, все биохимические реакции, как впрочем и большинство химических реакций вообще, не идут «посуху», взаимодействия молекул происходят в водном растворе. У растений и животных вода, вдобавок ко всему, – главное транспортное средство. Различные вещества переносятся от одной части тела к другой при помощи воды. В одной части тела вещество поступает в раствор, в другой – извлекается из раствора соответствующими тканями. И вот тут у растений возникают проблемы. Растение потребляет почти в двадцать раз больше воды, чем животное аналогичного веса. В чем дело? Дело в том, что у растения нет мышц, которые, тем или иным способом, «гоняют» воду в теле животного. Движение соков у растения устроено совершенно иначе, и именно перенос веществ от корневой системы к листьям требует от растения ненасытно сосать воду из почвы.

Воду и минеральные вещества растение получает из почвы, через корневую систему, и по сосудам стебля раствор поступает к листьям. Но каким образом вода, несущая раствор минеральных веществ, поднимается вверх? Причем это «вверх» у самой обычной сосны, березы или осины составляет 30–40 метров, а у секвойи и эвкалипта известны деревья высотой в полторы сотни метров. Насос растению нужен очень мощный – представьте, что вы пытаетесь напиться через трубочку из колодца стометровой глубины. Как же этот насос устроен и где он расположен? По ходу движения, в сосудах растения, таких насосов нет, ведь ксилема состоит из мертвых клеток; это, по сути, обычная водопроводная труба. Значит, воду необходимо или «толкать» снизу (тогда насос надо искать в корневой системе) или «тянуть» сверху (тогда его надо искать в листьях). Насос этот должен быть весьма мощным – чтобы поднять воду в крону березы нужно давление около 3–4 атмосфер, а в крону старой секвойи – около 15 атмосфер.

Транспорт воды в растениях (схема): 1 – подъем воды с минеральными солями вверх по ксилеме; 2 – транспорт сахаров от листьев к корням и другим органам

Клетки эпидермы корня активно поглощают из почвенного раствора ионы минеральных веществ. В результате в клетках корня создается концентрация ионов, в десятки раз превышающая концентрацию почвенного раствора. По закону осмоса вода из почвы устремляется в клетки корня и оттуда в сосуды. Объем раствора увеличивается, возникает так называемое корневое давление, которое заставляет раствор подниматься вверх по сосудам. По ночам на кончиках листьев многих трав и даже кустарников появляются похожие на росу капельки. Это, однако, не роса, а вода, которая буквально выжимается из листьев корневым давлением через особые отверстия на краях листа – гидатоды. А сам процесс называется гуттацией. Однако, корневое давление у всех растений, у которых оно есть, оказалось невелико, оно совершенно недостаточно, чтобы поднять воду в крону высокого дерева. А у многих растений, в частности у хвойных, корневое давление вообще не развивается.

Как оказалось, главный насос, поднимающий воду, расположен в листьях. Когда клетки листа испаряют воду, концентрация раствора в них увеличивается, возникает, как и при корневом насосе, разница концентрации и возникает осмотическое давление, которое гонит воду в испаряющую клетку от лежащих глубже соседей. «По цепочке» очередь доходит до сосудов, расположенных в жилке. В результате устанавливается натяжение воды в сосудах ксилемы. Вода практически не сжимается (и, следовательно, не растягивается), а столб воды очень прочен на разрыв – около двух тонн на квадратный сантиметр сечения. В результате натяжение достигает корней и вытягивает из них раствор, а корни, в свою очередь, вытягивают воду из почвы. В результате вода движется вверх, неся с собой минеральные вещества.

Растения северных мест, как правило, страдают от недостатка воды, хотя в почве ее полно, и часто имеют облик, схожий с растениями пустынь – мелколистность, плотные покровы, густую опушенность стеблей и листьев.

Сосудистые и не очень

Первые сухопутные растения

Около четырехсот сорока миллионов лет назад, в начале силурийского периода, поверхность материков была пустыней, ее грунт местами покрывала тонкая пленка цианобактерий и одноклеточных водорослей. Но низменные берега водоемов, вероятно, уже зарастали ковром из созданий, более всего напоминавших ветвящиеся зеленые макароны со светлыми вздутиями на кончиках приподнятых ветвей. Вероятней всего именно так выглядели первые зеленые растения или, скорее, существа, стоящие на полпути от водорослей к растениям. Эти «макароны» дали начало двум ветвям растительного царства – моховидным растениям (они же бриофиты) и растениям сосудистым. Не исключено, правда, что бриофиты и сосудистые произошли от разных групп зеленых водорослей, но большинство ботаников склоняется к мысли, что у них был один предок.

Печеночник маршанция многообразная

Антоцеротовый мох

Одно из различий между моховидными и сосудистыми отражено в их названии – у моховидных иначе устроены проводящие ткани. Впрочем, не так уж велико различие. Конечно, строение проводящего пучка моховидных намного проще, но ботаники считают, что проводящие клетки мхов и сосудистых растений происходят от одних и тех же групп клеток их общего предка. Просто моховидные почему-то не стали совершенствовать проводящие ткани и удовлетворились их при-митивным состоянием. Самое главное отличие в другом – в сценарии размножения.

Листостебельный мох. Миниум волнистый

Листостебельный мох. Питилиум гребенчатый (страусово перо)

Листостебельный мох. Дикранум меловидный

Плауны, хвощи и папортники

Все три отдела, перечисленные в названии главы, относятся к сосудистым споровым растениям. Плауны, или, правильней, плауновидные – в наше время мелкие, невзрачные травы, живущие, в основном, во влажных местах. Хотя обыкновенный плаун – баранец – самое обычное у нас лесное растение, но многие даже не знают его в лицо, считая разновидностью мха. Однако так было не всегда. С конца девонского периода и до конца каменноугольного, более ста мил-лионов лет, плауновидные были ведущей группой растений. Среди них были деревья, лепидодендроны, высотой до сорока метров, и именно они были главной лесной породой тех времен. Были среди древних плауновидных и травы, и кустарники.

Плауны: 1 – булавовидный; 2 – баранец; 3 – сплющенный

С хвощами знакомы все. Это тоже группа, слава которой в прошлом. Сейчас все хвощи – невысокие травы. Но в карбоне двадцатиметровые каламиты, очень похожие на современный хвощ, только гигантского размера, росли нижним ярусом в лепидодендровых лесах.

Хвощ полевой: 1 – вегетативный побег; 2 – генеративный побег; 3 – клубеньки

Папоротник щитовник мужской: 1 – перышко вайи; 2 – сорус (собрание спорангиев); 3 – спорангий

Папоротники, появившиеся, вероятно, почти одновременно с хвощами и плаунами, достигли расцвета несколько позже, и продолжают вполне успешно существовать до сих пор. Сейчас на Земле растет около полутора десятков тысяч видов разных папоротников (плауновидных – около одной тысячи видов, а хвощей всего два десятка). Во времена динозавров среди папоротников было множество как травянистых, так и древесных растений. Ныне древовидных папоротников осталось всего несколько видов, но в горных лесах Новой Гвинеи, Новой Зеландии и Антильских островов они весьма обычны и местами занимают ведущее место в древостое.

Жизненный цикл всех споровых растений относится к одному типу. На спорофите формируются своего рода бугорки (спорангии), внутренние клетки которых делятся путем мейоза, превращаясь в гаплоидные споры. Спора падает на землю, клетки ее начинают делиться, оболочка разрывается, на свет появляется маленькая многокле-точная пластинка, размером с булавочную головку – гаметофит. Проводящих тканей у него нет, впрочем, как и любых других. Воду и минеральные вещества гаметофит сосет с помощью длинных тонких выростов поверхностных клеток, сродни корневым волоскам, которые называются ризоидами. В состав гаметофита может входить симбиотический микоризный гриб, обеспечивающий минеральное питание. Основная масса клеток гаметофита содержит хлорофилл и занимается фотосинтезом. На этом крошечном гаметофите, как и на крупном гаметофите мхов, формируются архегонии (женские органы размножения споровых) и антеридии (мужские органы), спермии находят архегоний, сливаются с яйцеклеткой, и возникшая диплоидная зигота (оплодотворенная клетка) начинает делиться, превращаясь в зародыш спорофита. Как и спермиям мхов, спермиям споровых, чтобы добраться до архегония, нужна вода. Передвигаться посуху они не умеют. Поначалу зародыш питается за счет гаметофита, но как только он отрастит корешок и первые, еще крошечные листочки, гаметофит, выполнив свое дело, отмирает.

Обобщенный жизненный цикл споровых растений: А – хвоща; Б – папоротника; В – плауна; 1 – споры; 2 – гаметофит (заросток); 3 – молодой спорофит

Так обстоит дело почти у всех папоротников, у всех хвощей и у части плауновидных. Однако, у двух групп плауновидных (селагинеллы и полушники), и у небольшой группы водных папоротников, процесс идет несколько сложнее – у них существует разноспоровость. Формируются два типа спор – мегаспоры, дающие начало женским гаметофитам, на которых формируются архегонии, и микроспоры, из которых формируются гаметофиты исключительно с антеридиями.

Как появилось семя

Как и почему возникла разноспоровость – тайна, покрытая глубочайшим мраком. На первый взгляд, разноспоровость создает лишние проблемы. Спермию приходится искать другой, неизвестно где находящийся женский гаметофит. Правда, архегонии выделяют особые вещества, и спермии ориентируются «по запаху». Но задачу это упрощает ненамного. Можно предположить, что в случае разноспоровости чаще будет происходит перекрестное оплодотворение, то есть зигота будет потомством двух разных особей. Перекрестное оплодотворение – штука, несомненно, выгодная, она способствует распространению полезных свойств и увеличивает изменчивость. Так или иначе, чем-то разноспоровость очень удобна, или была удобна в древности.

Среди растений древности разноспоровость была распространена очень широко. И в девонском периоде, более трехсот пятидесяти миллионов лет назад, растения из вымершего отдела прогимноспермов (это были деревья весьма внушительных размеров) сделали очень важный шаг. Многие прогимноспермы не выбрасывали созревшую мегаспору на произвол судьбы, а оставляли «при себе». В общем, резонно. Проблемы у спермиев при этом не увеличиваются, а мегаспору спорофит может, хотя бы отчасти, уберечь от всяческих случайностей. В частности, прикрыв ее специальными выростами. Надо сказать, что к середине девонского периода, когда прогим-носпермы начали экспериментировать с мегаспорой, суша уже была заселена разнообразными членистоногими, в частности, примитивными бескрылыми насекомыми и клещами. Во второй половине девона насекомые начали осваивать полет. Значительная часть древних насекомых и клещей питалась как раз спорами, и эксперименты прогимноспермов были весьма своевременны.

Развитие гаметофита селягинеллы 1 – микроспора; 2 – мегаспора; 3 – мужской гаметофит; 4 – женский гаметофит; 5 – ризоиды; 6 – сперматозоиды; 7 – зародыш спорофита; 8 – прорастающий спорофит

Мегаспора некоторых прогимноспермов оставалась в спорангии, и стенка спорангия образовала защитную оболочку. Эта оболочка имеется и у современных семенных растений и носит название нуцеллуса. Мало того. Спорангии образуются на особом укороченном побеге. На ножке, которой спорангий крепился к побегу, начали формироваться длинные узкие чешуйки, прикрывающие спорангий – купулы. Эти лопасти затем начинали срастаться, одевая спорангий оболочкой, у современных растений такая оболочка образует семенную кожуру. Все вместе, мегаспора со своей оболочкой, спорангий и сросшиеся купулы называется семязачатком. Семязачаток – это еще не семя. Семенем он становится тогда, когда внутри оболочки мегаспоры разовьется женский гаметофит, когда яйцеклетка будет оплодотворена и когда сформируется зародыш. Зародыш у всех семенных растений на более или менее долгое время впадает «в спячку», и этим периодом покоя развитие семенных растений отличается от развития споровых. Так вот, вся эта сложная структура с покоящимся зародышем и называется семенем.

«Готовый» зародыш являет собой, по сути, крошечное растение, свернутое в клубок, обладающее зачатками основных частей растения взрослого.

Настоящие семена были, вероятно, уже у некоторых прогимноспермов. Поначалу, вероятно, семязачатки опадали, оплодотворение происходило уже на земле (или в воде) и только там семязачаток превращался в семя. Но довольно быстро прогимносперны «догадались», что семязачатку, остающемуся на ветке, гораздо легче «поймать» разносимые ветром микроспоры, чем лежащему на земле. От этих семенных прогимноспермов и произошли современные голосеменные растения, а также еще одна группа – семенные папоротники.

Семенной папоротник: А – общий вид; Б – семя на нижней стороне листа

Семенные папоротники (с настоящими папоротниками они не имеют ничего общего) были многочисленны во второй половине каменно-угольного периода и, просуществовав сто пять-десят миллионов лет, вымерли к концу юрского периода, во времена расцвета динозавров. А голосеменные, появившиеся уже в конце девона, процветают и в наши дни.

К голосеменным относятся хорошо знакомые всем хвойные, саговники (не путать с саговыми пальмами), гинкго – красивое крупное дерево, единственный доживший до наших дней представитель некогда многочисленного племени, и гнетовые, среди которых эфедра, с которой некоторые из вас могут быть хорошо знакомы. Эти кустарнички с побегами, напоминающими хвощ, растут, в частности, в степях и полупустынях на юге России и в горах Кавказа.

Гинкго двулопастный

Следующий шаг

Голосеменные растения появились около трехсот пятидесяти миллионов лет назад, в конце девонского периода. И только через двести с хвостиком миллионов лет, в начале мелового периода, растения сделали следующий рывок вперед – появились покрытосеменные. Этот эволюционный прорыв тесно связан с эволюцией насекомых.

Насекомые с удовольствием посещали органы размножения растений уже в карбоне. Они высасывали семязачатки, ели споры и попутно переносили микроспоры с одного растения на другое, просто потому, что некоторое количество микроспор неизбежно прилипало к их телу. Большинство растений боролось с этими нахлебниками изо всех сил, главным образом отращивая различные защитные приспособления. Однако некоторые группы голосеменных сумели оценить ту пользу, которую приносили насекомые, перенося микроспоры с одного стробила на другой и от одного растения к другому. Поскольку насекомое, в отличие от ветра и воды, действует целенаправленно – перебирается от одного семязачатка к другому – оно переносит микроспоры гораздо надежней, чем вода или ветер. Некоторые голосеменные «приручили» насекомых, постаравшись максимально использовать преимущества такого способа переноса микроспор и свести к минимуму вред.

Из голосеменных дальше всего по пути использования насекомых продвинулись беннетиты, которые, возможно, и были предками первых покрытосеменных. Приручение насекомых ставило перед беннетитами две основные задачи: во-первых, нужно было максимально защитить от посетителей драгоценные семязачатки и микроспоры (пыльцу). Одновременно нужно было как-то привлечь насекомых, заставить их посещать стробилы не от случая к случаю, а регулярно. Одно противоречит другому и проблема кажется неразрешимой. Однако беннетиты вывернулись. Стробил большинства беннетитовых нес одновременно и мега и микроспорангии, то есть был двуполым. Ось стробила (стебель) на верхушке была расширена и имела форму конуса (цветоложе). Поверхность конуса была плотно усажена семя-зачатками, которые беннетиты надежно прикрыли специально отрастающими листоподобными чешуйками. Ниже шло широкое кольцо тонких длинных перистых листочков, микроспорофиллов, несущих микроспорангии. И – главная фишка беннетитов – на поверхности цветоложа между основаниями микроспорофиллов располагались особые органы, до которых ни одно другое растение «не додумалось» – нектарники. Все остальное не было новостью в мире растений, но нектарники, выделяющие питательную сахаристую жидкость, одним ударом решили несколько проблем. Они отвлекли насекомых от семязачатков и пыльцы и заставили их специально разыскивать стробилы с таким замечательным источником пищи. К тому же, чешуйки, микроспорофиллы и само цветоложе почти наверняка были ярко окрашены, чтобы издали привлекать опылителей, и вдобавок, очень может быть, испускали привлекательный запах, как это проделывают цветы многих современных покрытосеменных. Отсюда до покрытосеменных оставался один шаг. Однако шаг этот было сделать очень непросто, на это беннетитам, появившимся в триасе, понадобилось более ста миллионов лет.

Первой группой насекомых, прирученных растениями и превращенных в профессиональных опылителей, были некоторые жуки. Жук – создание солидное и прикрывать семязачатки требовалось не только для того, чтобы их не съели, но и для того, чтобы неповоротливый переносчик пыльцы не повредил нежный орган, просто топчась по нему в поисках нектарников.

Верх совершенства

В основе жизненной стратегии покрытосеменных лежит три принципа: максимальная защита семян, максимальное обеспечение новорожденных запасами пищи, максимальное использование животных для размножения и расселения. Все это обеспечивается уникальным органом размножения покрытосеменных – цветком, и потому этот отдел растительного царства называют еще цветковыми растениями.

Цветок – это укороченный побег. Верхняя часть побега расширена и называется цветоложем. На самой верхушке побега сидят семязачатки, один или несколько, одетые поверх толстым слоем ткани и полностью изолированные от внешнего мира. Сделано это было просто – листик, на котором располагались мегаспорангии, свернулся в трубочку, так, что семязачатки оказались внутри, а затем края листика срослись. Этот мясистый листик называется плодолистиком, а то, что получается в результате его сворачивания и срастания – пестиком. Нижняя часть пестика называется завязью, верхняя – рыльцем. Все вместе, с семяпочками, – гинецеем. Гинецей может состоять из нескольких свернутых плодолистиков, которые срастаются полностью, или частично, сохраняя в последнем случае несколько рылец. Вокруг гинецея сидят в один или несколько рядов тычинки – бывшие микроспорофиллы с микроспорангиями. В основании тычинок расположены нектарники. Следующий круг – лепестки, сохранившие, в общем, облик нормального листа. Обычно лепестки ярко окрашены. Следующий круг – почти обычные листья, чашелистики, иногда зеленые, но у некоторых растений ярко окрашенные, как и лепестки. Это принципиальная схема, которая может изменяться, давая огромное количество вариантов строения цветка.

Строение шишки и цветка: 1 – семязачатки; 2 – чешуи шишки; 3 – завязь; 4 – пестик; 5 – чашечка; 6 – цветоложе; 7 – венчик; 8 – пыльца; 9 – рыльце

Зернышки пыльцы – это одетые оболочкой мужские гаметофиты, формирующиеся на микроспорофиллах – тычинках. Мужской гаметофит у покрытосеменных состоит всего из трех клеток – клетки пыльцевой трубки и двух спермиев, – но со своим делом он справляется вполне успешно. Когда пыльца попадает на рыльце гинецея, формируется пыльцевая трубка, которой приходится прорастать через все ткани, прикрывающие гаметофит женский.

Еще одна штука, которая есть только у покрытосеменных – плод. Настоящий плод развивается из плодолистика (или плодолистиков, если гинецей состоит из нескольких). Плод может быть сочным, мясистым, как у смородины, помидора или арбуза. Может быть сочным снаружи, а внутренняя часть превращаться в твердую скорлупу, как у сливы, абрикоса или каштана. В твердую скорлупу может превращаться вся ткань плодолистиков, как у желудя, лесного ореха или подсолнуха. Плодолистик может стать пленчатым, плотно прирастающим к семени, как у овса, пшеницы и других злаков. Но, так или иначе, плод всегда присутствует, и эта дополнительная оболочка, окружающая семя, еще одна особенность покрытосеменных. Именно она и отражена в их названии.

У голосеменных могут быть только ложные плоды, состоящие из разросшихся частей стробила, не имеющих касательства к мегаспорофиллу и мегаспорангию. «Ягоды» можжевельника и эфедры, да и, собственно, сосновые шишки, – именно такие ложные плоды. Ложные плоды часто бывают и у покрытосеменных, когда они образуются из других, нежели гинецей, частей цветка. Например, «ягода» земляники – это разросшееся цветоложе. Впрочем, сплошь и рядом, в образовании плода участвуют несколько частей цветка, обычно плодолистики и цветоложе – таковы плоды яблони, груши, рябины, арбуза и множество других.

Образование плода из цветка у вишни: 1 – семязачатки; 2 – семя; 3 – завязь; 4 – цветоложе; 5 – околоплодник; 6 – чашелистики

Неразрывная связь

Итак, покрытосеменные возникли в союзе с насекомыми. Именно этот союз дал им преимущества, которые позволили покрытосеменным расселиться по всему свету и занять господствующее положение в растительном царстве. В отделе покрытосеменных около четверти миллиона видов – в несколько раз больше, чем всех остальных растений вместе взятых. Хотя среди покрытосеменных полно ренегатов, вернувшихся к опылению ветром, но подавляющее большинство опыляется насекомыми. Услугами ветра пользуются, главным образом, те растения, которые растут густыми скоплениями и при этом составляют верхний ярус – злаки в степях, многие деревья, образующие «крышу» лесного полога. В таких условиях, действительно, имеет смысл пожадничать и положиться на ветер, который делает все бесплатно. Но большинство покрытосеменных продолжает безропотно подкармливать своих опылителей. В самом деле, насекомое разыщет своего кормильца, даже если он вырос вдали от своих родителей, в зарослях других растений или вообще в глубоком ущелье, куда никакой ветер не занесет пыльцу родичей из соседнего ущелья.

Опыление насекомыми, несомненно, замечательная вещь. Однако это только начало. Чтобы использовать открывшуюся возможность на все сто, нужно придумать способ десантировать семена на новые места, и чем дальше, тем лучше. В общем, конечно, можно распространять семена с помощью воды и ветра. Голосеменные, да и некоторые покрытосеменные, так и делают. Но животные могут распространять семена гораздо лучше, надо только их уговорить. И растения употребляют испытанную приманку – пищу. Вкусная, сочная мякоть плодов служит вознаграждением птицам и зверям за посевные работы. Многие семена без вреда проходят через кишечник и оказываются снаружи уже далеко, иногда очень далеко от родительского растения. Впрочем, многие растения предпочитают распространяться на халяву. Огромное множество таких халявщиков имеют семена со специальными цеплялками – тот же репейник или череда. Надо сказать, что честь этого изобретения принадлежит голосеменным. Первые семена с цеплялками появились более ста пятидесяти миллионов лет назад, когда о покрытосеменных еще никто и не слышал, а вот покрытые шерстью млекопитающие уже шныряли под ногами динозавров. Но только с появлением покрытосеменных этот способ транспортировки семян получил широкое распространение. Сейчас на Земле есть ландшафты, где большинство видов растений имеют семена, приспособленные к безбилетным поездкам на млекопитающих и птицах.

Животные

Особый путь

Животные – очень древняя группа, они не моложе грибов и, во всяком случае, намного старше растений. Первые следы жизнедеятельности животных обнаружены в отложениях периода, который геологи называют рифеем, и имеют возраст более миллиарда лет. Это следы ползания, отпечатавшиеся в иле, и окаменевшие экскременты – копролиты. Древние животные рифея, вероятно, имели червеобразную форму тела и питались илом, как многие современные черви. А в породах следующего периода, венда, имеющих возраст около шестисот пятидесяти миллионов лет, уже содержаться остатки богатой и разнообразной фауны примитивных беспозвоночных.

Что такое животное? Чем медуза или мышь отличаются от груздя или сосны, и где лежат границы между царствами? Для растений источник углерода – минеральное вещество, углекислый газ. Грибы и животные для своей биохимической кухни используют только углерод, связанный в органических соединениях, им для стряпни нужны «полуфабрикаты». Весьма важное отличие животных от представителей двух других высших царств – тип размножения и характер роста. Мейоз у животных ведет непосредственно к образованию гаплоидных гамет, особое поколение гаплоидных организмов, формирующее гаметы, у них отсутствует, и в этом они отличаются от растений. Зигота у животных делится путем митоза, давая начало диплоидному организму, и в этом их отличие от гаплоидных грибов с их зиготической редукцией.

Однако отличие животных от представителей других высших царств не только, и даже не столько в этом. Растения и грибы всю свою историю развивали технику питания и размножения. Практически все тело растений и грибов состоит из тканей, которые обеспечивают производство, распределение и защиту питательных веществ и тканей, обеспечивающих воспроизводство. А эволюция животных пошла по особому пути, на протяжении миллиарда лет они развивали способности двигаться. Ни у грибов, ни у растений нет специальных тканей, ответственных за движение. Нет, растения способны двигаться, любой ребенок знает, что цветок подсолнуха поворачивается вслед за солнцем и что лепестки многих цветов на ночь складываются. Мало того, и среди растений, и среди грибов есть существа, способные ловить мелких животных. Хищные растения ловят насекомых, смыкая, как пальцы руки, отростки рассеченной листовой пластинки. Грибы ловят мелких червей, смыкая петли гиф, когда червь сквозь них проползает. Но движения растений и грибов происходят либо за счет неравномерности роста обычных клеток, либо за счет быстрого разбухания таких же клеток. И только у животных есть специальные ткани, обеспечивающие движение, и специальные ткани, этим движением управляющие. И эти ткани составляют у продвинутых животных около половины веса тела. Речь, как вы наверное уже догадались, идет о мышцах и нервных тканях.

Возможность передвигаться по своему желанию – штука замечательная, никто не спорит. От опасности можно укрыться или убежать, можно поискать чего вкусненького, не дожидаясь, пока еду принесет вам ветром или течением. Но чтобы все это проделывать, вам нужно как-то ориентироваться в окружающем мире. И практически одновременно с органами движения у животных появляются органы чувств. Однако уметь получать сигналы из внешнего мира – этого для процветания еще недостаточно. Ваши глаза и уши мигом обнаружат выскочившую из-за угла злую собаку. Только что в этом толку, ведь нужно еще как-то сообщить об этом открытии ногам, и побыстрее. И у животных появляются особые клетки, передающие информацию от органов чувств органам движения. Возникает нервная система.

Нервная система, даже очень простая, умеет не только передавать информацию, но и хранить ее. Это значит, что у животного появляется память и оно способно учиться. Постепенно нервная система становится сложней, она уже не только передает и хранит информацию, но обрабатывает ее и сопоставляет. Животное начинает «размышлять». Для чего все это нужно? Только для одно-го – чтобы движения животного, его поведение, достигали цели чаще, лучше и быстрее. Так что и игра в подкидного дурака, и теория относительности, и изобретение каменного топора, и появление компьютеров, все это результат того, что нашим далеким предкам не сиделось на месте и они решали свои проблемы путем движения.

На полпути

Есть группа многоклеточных созданий, стоящих на полпути от царства протист к царству животных. Это губки. Самые простые губки напоминают по форме бокал или мешок с двойной стенкой. Внутренняя поверхность «бокала» выстлана слоем клеток, несущих жгутики, которые находятся в непрестанном движении, а наружная образована плотным слоем плоских клеток без жгутиков. В толще тела у губки, между наружной и внутренними стенками находятся «скелетные» и амебовидные клетки. На какие-либо внешние воздействия губки никак не реагируют. Вы можете тыкать губку иглой, бить ее электрическом током, посыпать солью или травить кислотой – никакого ответа вы не дождетесь, губка останется безучастна, как растение.

Строение губки: 1 – слой жгутиковых клеток; 2 – устье; 3 – направление тока воды

Возникнув чуть ли не миллиард лет назад, губки так губками и остались. Но губки – не единственная попытка древних многоклеточных найти свое место в жизни. Некоторые многоклеточные начали развивать способность к сокращению тела. Быть может, наползая на колонию протист, они сворачивались клубком, охватывая колонию своей брюшной стороной, и переваривали ее в образовавшемся мешке. Сокращение тела обеспечивали особые клетки – мышечные. Появление мышечных клеток позволило отрастить щупальца и использовать их для захвата крупной добычи. И с этого плацдарма, создав и освоив новые механизмы движения, животные пустились на завоевание мира.

Как точно все происходило – неизвестно. И, быть может, мы никогда этого не узнаем. Но результат нам известен. На свет появились кишечнополостные, они же книдарии – первые существа, обладающие главными признаками животных. Книдарии устроены значительно сложнее губок. У них уже имеется простая, но вполне настоящая нервная система, мышечные ткани и органы чувств. Они захватывают пищу подвижными щупальцами, реагируют на прикосновения, на свет, на вкус и запах добычи.

Сцифоидная медуза

Пресноводная гидра, актиния, медуза и коралловый полип – все это кишечнополостные. Посмотрите, скажем, на медузу. По краю зонтика расположены скопления нервных клеток – ганглии, соединенные в нервное кольцо. Здесь же, по краю зонтика расположены орган чувств – довольно сложно устроенные глазки и органы равновесия. Эти органы, статоцисты, не только помогают медузе отличать верх и низ, но и, вероятно, воспринимают колебания воды. Так что медуза и «видит», и «слышит». По краю же зонтика расположено мышечное кольцо. Сокращая и расправляя зонтик медуза плывет. Но по плану строения книдарии остаются простым двойным мешком. Отверстие этого мешка служит ртом, куда отправляется при помощи щупалец добыча, убитая стрекательными капсулами. Добыча эта может быть довольно велика – некоторые крупные медузы и актинии способны ловить даже мелких рыбок.

Носители прогресса

Всякое животное на самой первой стадии своего развития мало отличается от одноклеточной протисты. Это единственная клетка, зигота, которая получается в результате слияния двух половых клеток – гамет. Зигота начинает делиться и в результате получается комок клеток, называ-емый биологами бластулой. Следующий шаг – превращение бластулы в гаструлу. Гаструла – двухслойный мешок. Развитие губок и книдарий останавливается, по сути, на стадии гаструлы – двойного мешка. Все их ткани образуются из двух слоев зародышевых клеток, наружного и внутреннего. Но у всех других животных формирование тканей и органов потребовало образования у зародыша третьего слоя. И если основа конструкции кишечнополостных – двойной мешок, то все продвинутые животные – мешок тройной.

Самые примитивные из трехслойных животных относятся к типу плоских червей. Плоские черви не пользуются симпатией подавляющего большинства человечества. Их упоминание вызывает в воображении прежде всего таких, мягко говоря, малоприятных паразитов, как свиной солитер, эхинококк или широкий лентец. Действительно, ныне паразиты составляют большинство плоских червей. Но есть среди них обширный класс существ, стойко сохраняющих приверженность свободному образу жизни. Имя этих существ – турбеллярии. Это самая древняя и самая примитивная группа из всех «трехслойных» живот-ных.

Если смотреть поверхностным взглядом, то турбеллярии от книдарий недалеко ушли. Перед нами, строго говоря, все тот же «мешок». Кишечная полость у турбеллярий заканчивается тупиком, заднепроходного отверстия у них еще нет. Хотя тело большинства турбеллярий покрыто ресничками, как у инфузорий, и с помощью этих ресничек они зачастую и передвигаются, но все они имеют и прекрасно развитые мышечные волокна, прямо под кожей покрывающие тело в три плотных слоя. Изгибая широкое плоское тело, или только его края, турбеллярии активно ползают по дну и плавают, а некоторые и ползают по суше.

В составе нервной системы у них уже есть крупное скопление нервных клеток – головной ганглий, своего рода мозг.

У турбеллярий есть глаза, правда, простенькие. Вкус, запах и прикосновения они воспринимают уже не всей поверхностью тела, как книдарии, а специальными органами.

Устройство и расположение этих органов таково, что турбеллярия способна довольно точно определять силу и источник «приятных» или «неприятных» сигналов, а «мозг» способен обрабатывать достаточно сложную информацию. Разнообразие двигательных реакций и их целесо-образность у турбеллярий намного выше, чем у анемона или медузы.

Хорошего должно быть много

Большинству из нас хорошо знаком единственный представитель племени кольчатых червей – дождевой червяк из группы малощетинковых кольчецов или олигохет. Однако, олигохеты, равно как и некоторые другие классы аннелид, вроде пиявок, ведут весьма специфический образ жизни и многое утеряли. Всеми же достоинствами своего типа обладает центральная группа аннелид – черви многощетинковые или полихеты. Это обитатели морей, среди которых множество активных хищников. Органы чувств у аннелид развиты прекрасно, не чета глухим и полуслепым родственникам, плоским и круглым червям. У многих морских полихет есть пара крупных глаз, причем эти глаза способны фокусироваться на предметах и различать мелкие детали. Помимо «главных» глаз у многих имеются простенькие, как у медуз или турбеллярий, глазки в самых неожиданных местах, например, на хвостовой лопасти. У аннелид, кстати и у дождевых червей тоже, есть специальные органы слуха, они способны не только слышать всяческие стуки и шорохи, но и определять направление, в котором находится источник звука. Вкус и обоняние у них тоже достаточно остры, и осязание у них весьма тонкое. Понятно, что для переработки всей поступающей инфор-мации необходим сложный аналитический центр. И у аннелид появляется парное скопление нервных клеток, которое уже язык не поворачивается называть скоплением или ганглием. И зоологи называют его, как он того и заслуживает, головным мозгом.

Именно головным. У кольчецов впервые в истории появляется четкое расчленение тела на голову и туловище. Есть у них и третий отдел – хвостовая лопасть. В голове помещается мозг, на ней расположены глаза (два или четыре), голова несет особые выросты – щупики, усики и антенны, – которыми червяк обследует все, что попадается на пути. Это и органы осязания и органы обоняния одновременно. А вот рот расположен не на голове, а с брюшной стороны первого туловищного сегмента.

Туловище кольчеца состоит из отдельных сегментов, колец. Отсюда и название этих червей. Каждый туловищный членик имеет свою замкнутую полость, отделенную перегородкой от соседней. Каждый членик имеет пару собственных органов выделения, свои половые железы, свой маленький нервный центр – парный ганглий. Есть у кольчатых червей и кровеносная система. Сердца, правда, нет. Но с его ролью прекрасно справляются мускулистые стенки сосудов, которые, сокращаясь, гонят кровь по телу. Каждый членик полихет несет еще пару мускулистых выростов со щетинками. Называются они параподиями, бывают довольно велики, сильны и служат для движения. Так, впервые в эволюции животных появляются ноги. Появляются у аннелид, тоже впервые в истории, и особые органы дыхания – жабры. Это тонкие и нежные выросты параподий, пронизанные кровеносными сосудами, которые «впитывают» кислород из воды.

Все из ничего

Полихеты, или их какие-то вымершие близкие родственники дали начало двум высшим ветвям мира беспозвоночных – моллюскам и членистоногим. Моллюски – живой пример того, каких вершин можно достичь, пользуясь самыми простыми средствами. Моллюски, в общем, не изобретали ничего принципиально нового, они просто с толком использовали доставшееся им от полихет наследство. Отказались от одного, чуть-чуть подправили другое, необычным образом начали использовать третье. А в результате – более ста тысяч видов, обитающих от абиссальной бездны океанов до высокогорий, от полярных стран до тропиков и от безводных пустынь до дремучих лесов. Что же касается умственных способностей и умения ориентироваться в сложной обстановке, то высшая ветвь моллюсков – головоногие – дают фору не только своим «братьям» членистоногим, но и некоторым млекопитающим.

План строения моллюсков, в принципе, прост. Голова обычно имеется. Тело – мешок с внутренностями, вытянутый или округлый. Брюшная сторона тела разрослась в мускулистую подошву, ее у моллюсков называют ногой. На спине находится еще один вырост, разрастающийся во все стороны и свободно свисающий эдаким плащом. Этот плащ зоологи торжественно именуют мантией, она укрывает все тело моллюска и она же на самой своей «макушке» строит раковину. Пространство под мантией называется мантийной полостью. Все это, так сказать, типовой проект. Разные группы моллюсков преобразуют его, порой до неузнаваемости.

Одно из немногих серьезных усовершенствований, которое моллюски внесли в конструкцию полихет, касается пищеварительной системы. У аннелид пищеварительные ферменты выделяются особыми клетками, рассеянными по всему кишечнику. Моллюски отрастили в средней кишке длинные, узкие, ветвящиеся карманы и собрали все такие клетки в их стенках. Получилась уже настоящая пищеварительная железа, которая почти не занимается всасыванием питательных веществ, а выделяет в просвет кишечника «пищеварительный сок». Называют эту железу печенью, хотя с печенью позвоночных она имеет мало общего.

Сегментацию тела – чуть ли не самый главный признак кольчецов – моллюски утеряли. Она сохранилась у них только в виде «рубашки», окружающей сердце, и «мешка», содержащего половую железу. «Рубашка» связана двумя сложными извитыми канальцами с внешним миром и вся эта система играет роль весьма совершенного и эффективного органа выделения. Все остальное пространство между органами заполнено эластичной соединительной тканью.

Бронированный червяк

Давным-давно, около шестисот миллионов лет назад, среди древних кольчатых червей появилась мода обзаводиться панцирем из хитина. Это вещество, хотя и родственно обыкновенному сахару, но очень прочно и устойчиво к самым разным химическим воздействиям. Чтобы членистое тело полихет сохранило гибкость, броня тоже стала членистой, а в месте соединения сегментов развивалась только тонкая, гибкая хитиновая пленка. Каждый сегмент полихет, как вам известно, несет мускулистые выросты со щетинками – параподии. Параподии служат одним червям ногами, другим веслами, а кроме того, на них развиваются жабры. Отказываться от параподий бронированные полихеты не сочли возможным, но чтобы параподии могли работать, двигаться, панцирь на них тоже стал членистым. Это устройство конечностей сохранили все их потомки, за что через полмиллиарда лет они получили от людей прозвище членистоногих. Мы недаром упомянули о моде. По-видимому, панцирь возник приблизительно в одно и то же время независимо у трех родственных, но разных групп полихет. Почему – не знает никто. Одна группа стала предками ракообразных, другая – пауков и скорпионов, третья – многоножек и насекомых.

Хитиновый покров червяки приобрели поначалу исключительно в целях защиты. Но вскоре изнутри к твердому панцирю стали крепиться мышцы и панцирь стал играть заодно роль скелета – опоры для тела. Такой скелет называется внешним. Представление о внешнем скелете вы можете получить, посмотрев на жука или краба. Скелет может быть и внутренним. С внутренним скелетом знаком всякий, кто хоть раз ел жареную курицу или рыбу.

Скелет в жизни животных – вещь необыкновенно важная. Когда мышцы крепятся к жесткой опоре, они могут развить большее усилие. Скелет позволяет животному создать систему рычагов-конечностей, которые обеспечивают такую силу и точность движений, какая мягкотелому и присниться не может. И от того, какую конструкцию скелета вы выберете, зависит судьба ваших потомков. Те черви, которые были предками членистоногих, выбрали скелет внешний. А наши предки, предки позвоночных, выбрали скелет внутренний. И эволюция тех и других пошла разными путями.

Основной недостаток внешнего скелета заключался в том, что он не позволял животному дос-тигать крупных размеров. Чем больше размер (и вес) тела, тем сильней должны быть мышцы. Чем большее усилие развивают мышцы, тем прочнее (и тяжелее) должен быть скелет. Если вы задумали расти до бесконечности, у вас ничего не получится. Беда в том, что с увеличением размера ваш вес будет расти в кубической прогрессии, а сила мышц только в квадратической. Наступит момент, когда ваши мышцы просто не в силах будут поднять сами себя. Но еще раньше наступит момент, когда ваш скелет или сломается под грузом тела, или станет таким массивным, что мышцы не смогут его таскать. Так вот, владелец внешнего скелета попадет в такое положение задолго до того, как владелец внутреннего каркаса вообще начнет ощущать неудобство своего размера.

Особенно резко начали проявляться достоинства и недостатки той и другой конструкции, когда около четырехсот миллионов лет назад животные принялись осваивать сушу. На суше вес тела ощущается гораздо сильней, чем в воде. И среди крупных, тяжелых животных несомненное преимущество получили обладатели внутреннего скелета. Но одна из главных проблем на суше – потери воды. Особенно страшны они для животных мелких, которым высохнуть ничего не стоит. И среди мелких животных преимущество получили обладатели внешнего скелета, который отлично защищает не только от врагов, но и от высыхания.

Членистоногие в результате были вынуждены следовать совсем другой жизненной стратегии, чем позвоночные. Мелкий размер – больше роковых случайностей, короче жизнь. Жизнь корот-ка – нужно успеть оставить как можно больше потомков, чтобы род не угас. Накопить за короткую жизнь приличный жизненный опыт невозможно. Значит, делаем упор не на обучение, не на «мозги», а на врожденные программы поведения. Учить и воспитывать детей некогда. Но поскольку их тьма, то кому-то обязательно повезет и он продолжит род.

Вообще, жизненный успех мелких существ ничуть не меньше, чем крупных. Просто достигать его приходится другим путем.

У позвоночных, соответственно, все наоборот. Основная линия развития – крупные размеры, длинная жизнь. Длинная жизнь – возможность приобретения опыта. Есть опыт – есть чем поделиться с сородичами. Отсюда преобладание обучения над врожденными программами поведения. Но обучить и воспитать несколько сотен потомков невозможно. Поэтому у продвинутых позвоночных детей не бывает много. Но зато много сил и времени отдается их обучению и смертность детенышей ниже.

Прародители хордовых?

Ну, ничего особенного в них нет – червяки червяками. Живут на дне морском, главным образом на мелководье. Интеллектом не блещут. Питаются, заглатывая грунт и переваривая все съедобное, что в этом грунте содержится. Одни роют норки, другие прокладывают на дне трубочки из засохшей слизи.

Тело разбито на три отдела: мускулистый хоботок, воротничок и собственно тело. Хоботок способен вытягиваться и сокращаться, как тело дождевого червя. Таким образом он продвигается в грунте, и, как тягач, тащит за собой все остальное тело.

Называют этих червей неблагозвучным именем кишечнодышащие и относят к особому типу вторичноротых животных – типу гемихордовых.

При всей своей невзрачности, гемихордовые – очень интересная группа. Насколько можно судить по развитию эмбрионов и строению личинки, они родня иглокожим, можно сказать – родные братья. С другой стороны, у них есть некоторые уникальные черты, которых нет ни у одной другой группы беспозвоночных, зато есть у хордовых.

Ланцетник

Самое древнее и примитивное из ныне живущих хордовых – ланцетник. Ланцетники – единственные представители подтипа бесчерепных и насчитывается их всего несколько десятков видов. Размер ланцетника – несколько сантиметров, не больше десяти. Похож он на маленькую полупрозрачную рыбку, но устроен значительно проще. Вдоль спины, от кончика носа до кончика хвоста тянется нервная трубка, точнее – желоб с сомкнутыми верхними краями. В передней части трубка образует небольшое расширение, носящее громкое название мозга. Под нервной трубкой лежит плотный эластичный стержень – хорда. Кровеносная система замкнутая, но сердца нет, кровь перегоняется по сосудам сокращениями мускулистых стенок брюшной аорты.

Ланцетник: А – внутреннее строение; Б – внешний вид; 1 – нервная трубка; 2 – хорда; 3 – кишечник; 4 – печень; 5 – глотка с жаберными щелями; 6 – усики; 7 – сегменты мышц

С органами чувств у ланцетника совсем плохо. Если не считать рассеянных в разных местах тела чувствительных клеток, то таких органов всего два. Органом обоняния служит особая ямка на «темени», сообщающаяся каналом с полостью мозга. Глаз нет, но в состав мозга входит скопление особых светочувствительных клеток, так что свет от тьмы ланцетник различает. Оба органа, в отличие от органов чувств позвоночных, непарные. Единственные чувство, которое у ланцетника развито довольно прилично, это осязание.

Бока ланцетника одеты плотными слоями мышц, похожих на мышцы рыбы. На каждом боку мышечный слой разбит на сегменты. Между сегментами залегают тонкие перегородки, которые состоят из такого же вещества, как оболочка хорды и, по сути, являются плоскими боковыми выростами этой оболочки. Поочередное сокращение мышечных сегментов изгибает хорду волнами и тело извивается, как тело рыбы или змеи. Такое движение свойственно всем низшим и многим высшим позвоночным. А вот никакие беспозвоночные так двигаться не умеют.

Позвоночные

Где-то в конце кембрия, более полумиллиарда лет назад, какие-то пра-пра-пра-правнуки какого-то существа, очень похожего на ланцетника, дали начало четырем разным классам позвоночных – бесчелюстным, панцирным рыбам, хрящевым рыбам и появившиеся немного позже рыбам костным. Вся эта публика вела довольно активную жизнь. Активные животные нуждаются в большом количестве кислорода и каждая из групп начала с того, что обзавелась настоящими жабрами. Хотя каждая группа проделала это сама по себе, но жабры все отрастили на одном месте – на перегородках между жаберными щелями. И все остальные новшества – костную ткань, внутренний скелет, челюсти, парные конечности – представители этих групп тоже изобретали самостоятельно. То, что результаты оказались похожими, неудивительно. Ведь «базовая» конструкция у них была одинаковой, кроме того, все они обитали в воде и проблемы перед ними стояли сходные.

Панцирная рыба

Панцирные рыбы вымерли, не оставив потомков, от обширного класса бесчелюстных до наших времен дожило несколько десятков видов – миноги и миксины. В водоемах планеты ныне царствуют хрящевые (акулы и скаты) и костные рыбы. И именно костные рыбы дали начало сухопутным позвоночным. Класс костных рыб делится на два подкласса – лучеперые и лопастеперые.

Минога

Лучеперые ударились в бурную эволюцию, завоевали все водоемы планеты и сейчас именно они представляют класс костных рыб. Лопастеперые отделились от главного ствола костных рыб очень давно, вероятно, еще в силуре, более четырехсот миллионов лет назад. Их родина – пресные воды. Жизнь в мелких, прогреваемых водоемах, в которых постоянно ощущается недостаток кислорода, вынудила лопастеперых использовать для дыхания атмосферный кислород. Но жабры для этого плохо приспособлены, у рыбы, высунувшейся из воды, кровеносные сосуды рта и глотки поглощают кислород эффективней, чем слипающиеся на воздухе жаберные лепестки. И у части лопастеперых возникли легкие – глубокие карманы глотки, стенки которых густо покрылись кровеносными соудами.

В результате не успешные и продвинутые лучеперые, а именно несуразные и неперспективные лопастеперые стали предками позвоночных, завоевавших сушу. Сами же они вымерли. До наших дней дожили всего шесть видов отряда двоякодышащих и два вида отряда кистеперых.

Двоякодышащая рыба рогозуб

Между двух стульев

Амфибии, они же земноводные, – первые наземные позвоночные. При этом лягушки, жабы, саламандры и червяги процветают и поныне. Появились амфибии в начале девонского периода, около четырехсот миллионов лет назад. К этому времени на суше уже появилась растительность, и хотя огромные пространства материков еще оставались пустынными, но обширные заболоченные низменности по берегам рек и озер покрывали густые заросли псилофитов и гигантских плаунов. Среди мхов, опавших листьев и бурелома можно было найти коллембол, многоножек и примитивных насекомых, похожих на бескрылых тараканов. На этих вегетарианцев охотились древние скорпионы и пауки. Но по сравнению с кишащими всякой жизнью водоемами суша выглядела бледно. Что гнало предков амфибий из воды на эти скудные благами жизни берега? Враги? Но в мелководных пресных водоемах, из которых началось заселение суши, у рипидистий врагов не было. Они сами были хищниками, причем довольно крупными. Недостаток кислорода в воде? Но ведь за воздухом совершенно не обязательно выходить на берег, достаточно подняться к поверхности воды. Многие рыбытак и делают, но о выходе на сушу не помышляют.

Развитие амфибии

Зоологи склоняются к мнению, что рипидистии из воды и не выходили. Амфибии первоначально были чисто водными животными и вовсе не собирались осваивать сушу. У самых древних примитивных «рыбоамфибий» был совершенно рыбий хвостовой плавник, сохранялись во взрослом состоянии органы боковой линии и, вероятно, жабры. У современных амфибий все это хозяйство имеется только у личинок. Единственное, что отличает этих ископаемых созданийй от рыб – строение скелета. У них были ноги. И возникает вопрос, зачем рыбе понадобились ноги?

Ихтиостеги – самые древние и примитивные из известных нам четвероногих созданий. Это были тяжеловесные, неуклюжие, коренастые животные длиной чуть более метра, с большой головой и короткими мощными ногами. Шея у них почти отсутствовала, зубы были острые и крупные. Под стать зубам была и огромная пасть. Голова составляла четверть общей длины животного, включая хвост. Понятно, что владелец такой пасти и таких зубов охотился на крупную дичь. По своему строению ихтиостеги – типично водные существа. Если бы не ноги, никто не заподозрил бы в них обитателей суши. И опять мы сталкиваемся с вопросом – зачем водному животному ноги?

Очень вероятно, что изначально ноги ихтиостегу понадобились для поиска еды. Заболоченные прибрежные участки многих рек и озер – это система небольших, мелких, но постоянных, непересыхающих водоемов. В маленькой луже крупному хищнику не прожить долго, еды там на один зуб. И деваться ихтиостегу было некуда, он был вынужден перебираться из одной лужи в другую в поисках добычи. Проживание в одной луже одновременно нескольких крупных животных совсем уж невозможно, значит, в период размножения они должны переходить из лужи в лужу в поисках пары. Поскольку бродить по болотам ихтиостег был вынужден постоянно, изо дня в день, то затевать капитальную перестройку способа передвижения у него были все основания. В то же время охотился он, и вообще, проводил большую часть времени, в воде. Вот так и получилось первое земноводное, «рыба с ногами».

У амфибий есть множество особенностей строения, которые сильно усложняют существование. Начнем с кожи. Первоначально она была покрыта сплошным панцирем из покровных костей, как у панцирных рыб, бесчелюстных и их предков рипидистий. Вообще, идея брони в девоне имела необыкновенную популярность среди самых разных классов позвоночных. Но если в воде панцирь еще можно как-то уравновесить, развивая ткани с положительной плавучестью, например жировые, то таскать его по суше – дело тяжелое. Отказаться от панциря пришлось еще по одной причине. Легкие и кровеносная система у амфибий еще очень несовершенны, а передвигаться по суше тяжелей, чем в воде, кислорода мышцам нужно много. И у амфибий развилось кожное дыхание, оно поставляет им больше половины нужного кислорода. Но кожное дыхание возможно только при влажной коже. Тонкая, голая, постоянно влажная кожа – на суше это не самое удачное изобретение, животное теряет слишком много воды. Очень несовершенны у амфибий и конечности. Как и плавники их предков, конечности торчат в стороны и передвигаться амфибиям приходится на растопыренных ногах. Это требует очень больших мышечных усилий. И практически все амфибии, и древние, и современные, малоподвижные животные.

Все это можно было бы пережить. Некоторые амфибии, например зеленая жаба, ухитряются жить даже в сухих степях и пустынях. Самое же главное, что привязывает амфибий к воде – размножение. Яйца амфибий не имеют никаких приспособлений, защищающих их от высыхания. Мало того, зародыши амфибий, так же, как и зародыши рыб, не имеют специальных приспособлений для «накачивания» в яйцо кислорода и выведения наружу ядовитых продуктов обмена веществ. У рептилий, птиц и млекопитающих такие приспособления есть, а у рыб и амфибий – нет. Кислород просачивается внутрь икринки пассивно, через ее поверхность. А это значит, что чем больше размер (и, соответственно, объем) яйца, тем меньше кислорода будет получать зародыш, поскольку при увеличении размера объем возрастает в кубической прогрессии, а поверхность – только в квадратической. В большой икринке крупный зародыш просто задохнется, поэтому даже большие амфибии вынуждены откладывать мелкие яйца. А из мелких яиц вылупляются личинки, по сути еще не завершившие развитие, они скорее рыбы, чем земноводные, и жить на суше не могут вообще. Для размножения амфибиям нужна вода и это привязывает их к водоемам намного прочнее, чем тонкая влажная кожа и несовершенные конечности.

Амфибии во многих отношениях удивительно несовершенные животные. В воде им далеко до их предков – рыб. На суше они не могут тягаться со своими потомками – рептилиями, птицами и млекопитающими. Их место – «ничейная земля», зона контакта воды и суши, они уже не водные, но еще и не вполне сухопутные существа. Царство их было недолгим. Уже через тридцать, сорок миллионов лет после появления земноводных их начали теснить их собственные потомки – рептилии и синапсиды. С тех пор и до наших дней амфибии – самый малочисленный класс позвоночных животных.

Все мы вышли из яйца

Первые по-настоящему сухопутные позвоночные появились на Земле в каменноугольном периоде, карбоне, около трехсот миллионов с хвостиком лет назад. Раньше всех этих древних позвоночных, потомков амфибий, называли рептилиями или пресмыкающимися. Однако потом стало ясно, что две ветви «рептилий» – предки птиц и предки млекопитающих, имеют разное происхождение. Они издревле отличались и по строению внешних покровов, и по физиологии, и по деталям строения кровеносной системы. Общий предок этих ветвей неизвестен, не исключено, что ветви разошлись еще на уровне амфибий. Для той ветви, вершиной которой являются птицы, сохранили название рептилий, а ту, в которую входят млекопитающие, называют синапсиды.

Синапсиды появились в середине карбона, рептилии на пару десятков миллионов лет позднее. И те и другие были довольно мелкими существами, длина их тела не превышала полуметра. Длинный хвост, хорошо развитые лапки, небольшая голова, – все свидетельствует о том, что они были довольно подвижными. Они, вероятно, умели лазать по камням и бурелому, заглядывали во все щели, разыскивали и поедали беспозвоночных. Их мелкие и острые зубы говорят о том, что именно насекомые, пауки и многоножки служили им добычей. И внешностью и поведением они напоминали современных ящериц.

Строение яйца: 1 – белок; 2 – халаза; 3 – развивающийся эмбрион; 4 – желток

И рептилии, и синапсиды имели невиданное до тех пор в мире позвоночных строение яйца. По одной из особенностей этого яйца – амниону – обе эти ветви называют амниотами. Еще их всех называют высшими позвоночными. А всех прочих позвоночных – анамниями или низшими. У амниот яйцо, проходя перед откладкой через яйцеводы самки, стало одеваться двумя оболочками. Внутренняя состоит из пропитанного водой белка. Наружная оболочка сухая, кожистая скорлупа, плохо проницаемая для воды, часто с твердым известковым слоем на поверхности. Чтобы зародыш мог спокойно развиваться, яйцо стало снабжаться очень большим запасом питательных веществ – желтком. Желток есть в яйцах всех животных, от червей до амфибий. Но там его обычно мало и из яйца выходит очень мелкая и, по сути, недоразвитая личинка.

И желтком, и оболочками яйца снабжает зародыш мать. Но и сам зародыш не сидит сложа руки. Начав развиваться, он отращивает вокруг себя собственную двойную оболочку, наполненную жидкостью, и оказывается в уютной упаковке, вроде водяного матраса. Называется этот матрас – амнион. Но зародышу нужно еще и дышать. Хотя скорлупа яйца и пропускает кислород, но яйцо, снабженное запасами воды и желтка, оказывается весьма крупным. А кислорода в крупном яйце зародышу всегда не хватает. Кроме того, водонепроницаемая оболочка не позволяет выводить из яйца продукты обмена зародыша. И у зародыша начинает развиваться особый мешок с замысловатым названием аллантоис. Этот мешок, протиснувшись из под амниона и сплющившись, расползается под внешними оболочками яйца, окружая зародыш с амнионом. Внутренность этого «мешка» служит накопителем отбросов. А его оболочка, густо пронизанная кровеносными сосудами, служит зародышу органом дыхания. Зародыш в таком яйце не нуждается в воде, защищен от высыхания (и, кстати, от многих паразитов, хищников и микроорганизмов), и может спокойно развиваться на суше. Амниоты бесповоротно рвут связь с водоемами и становятся настоящими сухопутными животными.

Млекопитающие, кстати, довольно долго откладывали яйца, утконосы и ехидны продолжают это делать до сих пор. Живорождение они разработали позже и воспользовались аллантоисом для прямого подключения зародыша к кровеносной системе матери. Аллантоис зародыша срастается со стенкой матки – мускулистого мешка, который служит своего рода инкубатором. А кровеносные сосуды соединяются с кровеносными сосудами матки. Теперь аллантоис называется плацентой, а наружные яйцевые оболочки – белок и скорлупа – теряются за ненадобностью. Амнион же сохраняется, он предохраняет плод от травм. Только перед самыми родами он лопается, амниотическая жидкость вытекает (отходят воды), а ребенок (теленок, щенок или мышонок) появляются на свет или разорвав амнион окончательно, или прямо в нем, и тогда про них говорят, что они «родились в рубашке».

Что дальше?

Любое животное, если оно хочет двигаться по пути прогресса, должно решить несколько задач. Поскольку для животного прогресс, это прогресс поведения, движения, то в первую очередь нужно решить вопрос лучшего обеспечения организма топливом и кислородом. Это необходимо, кроме всего прочего, для развития более совершенного центра управления – мозга. Мозг амниот уже достаточно сложная машина и чтобы он работал эффективно желательна высокая и постоянная температура тела. Сложнейшие комплексы биохимических реакций, идущих в нервных клетках, весьма болезненно реагируют на скачки температуры. Весь этот клубок взаимосвязанных проблем требовал перестройки кровеносной системы, в том числе системы управления сосудами. Кровь не только разносит по телу кислород и пищу, она, вдобавок, несет тепло. Тепло выделяют интенсивно работающие внутренние органы, не только мышцы, очень много тепла выделяется при переваривании пищи, при работе печени, греется при работе мозг. Поверхностные сосуды либо теряют тепло – в холодную погоду, – либо перегреваются – в жару. Поддержание постоянной температуры тела, это умение так регулировать интенсивность кровотока между разными частями тела, чтобы поддерживать равновесие между приходом и расходом тепла. Второй комплекс задач связан уже непосредственно с движением – требуется перестройка скелета и мышечной системы.

Ранняя синапсида биорамазух

За решение этих задач взялись две группы древних амниот. Архозавры из ветви рептилий и терапсиды из ветви синапсид. Поскольку и архозавры, и терапсиды изначально имели различия в физиологии и строении, то и пути решения этих задач оказались не вполне одинаковыми. Несколько различным оказался и результат. Терапсиды дали начало млекопитающим, а архозавры – птицам.

Птицы

Рептилии великолепно приспособлены к жизни в засушливых местах. Кожа рептилий покрыта плотными роговыми чешуями, не пропускающими воду, а их органы выделения выводят «шлаки» не в виде водного раствора (мочи), как у амфибий и млекопитающих, а в виде кашицы из кристаллов. Синапсиды же сохранили некоторые амфибийные черты и поэтому рептилии, появившись позже синапсид, поначалу вырвались вперед и долго сохраняли первенство. Рептилии освоили не только всю сушу, но и просторы океанов и даже воздушную стихию. Среди рептилий были гиганты, достигавшие 80 тонн веса, и были карлики, весившие всего около одного грамма. Были могучие хищники и мирные травоядные, стремительные бегуны и пловцы, не уступавшие самым быстрым рыбам. Крылатые рептилии господствовали в воздухе и очень долго их потомки – птицы – не могли с ними тягаться. Рептилии безраздельно господствовали на суше более 200 миллионов лет.

Активный маневренный полет – самая, пожалуй, сложная форма движения. Он требует огромных затрат энергии и необыкновенно точной и сложной координации работы мышц. Соответственно, требуются очень интенсивный обмен веществ, сложный и быстродействующий центр управления, эффективная и бесперебойная работа всех остальных систем. Все это у птиц есть и во многих отношениях это самые совершенные позвоночные.

Длиннохвостая синица (ополовик) с выводком птенцов

Дыхание птиц не имеет аналогов среди современных позвоночных. У амфибий, рептилий и млекопитающих легкие работают на вдох-выдох. При таком способе вентиляции легких, как бы глубоко вы не дышали, в дыхательных путях всегда остается весьма приличный «мертвый» запас воздуха, который вам никак не удастся «выдавить». Птицам кислорода нужно много и они не могут позволить себе такой роскоши, как неполное использование объема легких. У них развиваются особые воздушные мешки, проникающие даже в легкие пустотелые птичьи кости. Воздух из бронхов поступает сначала в эти мешки, а только из них в легкие. В результате воздух через легкие идет непрерывным потоком и только в одном направлении – на выход.

Воздушные мешки птиц: А – расположение в теле птицы; Б – схема циркуляции воздуха; 1 – трахея; 2 – легкое (показано только одно); 3 – воздушные мешки; 4 – киль грудины; 5 – сердце; 6 вдох; 7 – выдох

Таскать в животе запас пищи и неторопливо его переваривать птицы не могут. У большинства млекопитающих содержимое желудка и кишечника составляет до четверти веса тела, попробуйте-ка взлететь с таким грузом. Поэтому кишечник у птиц короткий и работает очень эффективно, пища буквально проскакивает через него за считанные десятки минут. Необыкновенно быстро, эффективно и экономично работают и все остальные системы органов.

В результате птица, накопив запас легкого и калорийного топлива – жира – способна несколько суток подряд находиться в воздухе. Даже такие, в общем, неважные летуны, как мелкие воробьиные, во время миграций могут продержаться в воздухе сорок, пятьдесят часов. Приблизительно столько длится беспосадочный перелет через Средиземное море и Сахару – маршрут, по которому летят на зимовку европейские овсянки, трясогузки и прочая мелочь. Ни одно другое позвоночное не способно находится в непрерывном движении так долго.

За все, однако, приходится платить. Расплатой за полет стал, в частности, почти постоянный голод, который испытывают птицы. Кормежка – основное занятие большинства птиц, отвлекаются они от нее только ради совсем уж неотложных дел – для размножения, постройки гнезд, выкармливания птенцов. «Задуматься» об отвлеченных материях, – для этого у птиц просто нет времени. Это не шутка. Хотя среди птиц есть на удивление сообразительные создания, те же врановые или попугаи, но развитие умственных способностей сверх необходимого у птиц не в моде и в целом они в гораздо большей степени полагаются на врожденные программы поведения, чем неторопливые млекопитающие.

Еще один тупик, в который загнало птиц их совершенство – размножение. Беременность для птицы невозможна, с таким животом, какой бывает у самок рептилий и млекопитающих, ни одна птица не поднимется в воздух. Птицы вынуждены откладывать яйца, причем формируются и откладываются яйца по одному. Но яйца нужно высиживать, а потом выкармливать прожорливых (ведь они же птицы) отпрысков. И быстрее, быстрее, постоянная потребность в пище подгоняет родителей и детей хлеще любого свирепого надсмотрщика. На общение с детьми и на передачу опыта времени почти не остается. И это тоже заставляет птиц полагаться на врожденные программы поведения в значительно большей степени, чем полагаются на них рептилии и млекопитающие. Полет ставит еще одну преграду на пути эволюции птиц. Чем больше размер и, соответственно, вес птицы, тем большее мышечное усилие требуется ей, чтобы подняться в воздух. Но при уве-личении объема мышцы ее вес увеличивается быстрее, чем сила. И поэтому-то летающие пти-цы – сравнительно мелкие создания, во всяком случае, по сравнению с млекопитающими. Вес самых крупных не превышает двух десятков килограммов.

Питающие молоком

Первые млекопитающие появились на Земле двести с хвостиком миллионов лет назад, в триасовом периоде, еще до появления на Земле динозавров. Это были мелкие зверюшки, размером с молоденькую крысу. Питались они насекомыми, хотя наверняка позволяли себе время от времени ящерку или падаль. Вскоре после появления первых млекопитающих на Земле наступило царство динозавров, которое длилось около ста тридцати миллионов лет, до конца мелового периода. В течение этого огромного срока млекопитающие старательно эволюционировали и достигли заметных успехов – окончательно освоили живорождение, довели до совершенства теплокровность, широко расселились по планете.

Мы как то привыкли считать, что умение рожать живых детенышей чуть ли не главный признак млекопитающих, который отличает их от всех остальных позвоночных, откладывающих яйца. На самом же деле млекопитающие освоили живорождение далеко не сразу. Довольно долго они продолжали откладывать яйца, как это делали их предки и продолжают делать современные утконосы и ехидны. А вот выкармливать детенышей молоком начали, быть может, еще предки млекопитающих – продвинутые мелкие синапсиды цинодонты. Правда, сосков у примитивных млекопитающих еще не было. Молоко выделялось из рассеянных пор на животе самки и собиралось в продольную бороздку на брюшке. Из этого «корытца» детеныши его и слизывали.

Выкормить детеныша теплокровного животного непросто, особенно если это животное мелкое и у него большие теплопотери. На поддержание постоянной температуры тела расходуется больше половины пищи, и чтобы детеныш мог еще и расти, и развиваться, кормить его нужно до отвала. У птиц выкармливание детей отнимает огромное количество сил. Выкармливание молоком гораздо более экономично и дает млекопитающим массу преимуществ. Возникает вопрос, а почему птицы не сумели разработать такой способ вскармливания, если он так хорош? Дело в том, что птицы произошли от рептилий, слишком хорошо приспособившихся к жизни на суше. А синапсиды сохранили ряд примитивных, амфибийных черт, которые оказались в дальнейшем очень полезными.

Одним из главных приспособлений к жизни на суше, помимо амниотического яйца, является роговой покров кожи, препятствующий испарению воды. Лягушка, которая кожей дышит, должна поддерживать ее постоянно влажной, для чего у нее имеются специальные кожные железы, вырабатывающие слизь. Тонкая влажная кожа – прекрасное место для проживания самых разнообразных грибов и бактерий. Лягушке такое удовольствие совершенно ни к чему, и у нее есть железы, вырабатывающие особые вещества, убивающие микробов. Недаром в старые времена хозяйки сажали лягушек в молоко. Кожные выделения угнетали деятельность молочнокислых бактерий и молоко долго не скисало. Многие кожные железы, кстати, служат и органами выделения, они выводят вредные для организма вещества.

Рептилии развили на коже мощные роговые чешуи. Кожные железы, как главный канал потери воды, при этом сохраниться, понятно, не могли. Кожа стала сухой и влагонепроницаемой. А вот синапсиды увлекаться роговой броней не стали. Они удовлетворились тонким роговым покровом и сохранили часть желез. Наши потовые и сальные железы – потомки лягушачьих кожных желез и наша кожа, с точки зрения продвинутых рептилий, очень примитивна. Кстати, и почки у нас работают по лягушачьему принципу. Рептилии, экономя воду, выводят продукты обмена в виде кашицы из кристаллов. Так же поступают и птицы. А мы, подобно лягушкам, выводим их в растворе – в моче. Так что синапсиды были «плохими» рептилиями. Но именно кожные железы и позволили наладить производство молока. Молочные железы, это обычные кожные железы, потомки потовых желез. Птицы, как бы они не старались, последовать по этому пути не могут. У эволюции нет обратного хода, что пропало, то пропало, исчезнувший орган не может появиться вновь.

Вершина эволюции

Возможности любой конструкции не беспредельны. Как бы не изощрялась эволюция, подстегивая организм то с одной стороны, то с другой, но, рано или поздно, этот организм дойдет до такого состояния, когда дальнейшее физическое совершенствование станет невозможным. Потенциал, заложенный в основу системы, окажется исчерпанным. Животным, чтобы достичь предела совершенства, понадобилось, в сущности, немного времени – всего каких-то полмиллиарда лет энергичной эволюции и готово, приехали. Невозможно создать более совершенное беспозвоночное животное, чем хорошее насекомое. Невозможно всерьез усовершенствовать конструкцию такого позвоночного, как продвинутое млекопитающее или птица. Так что же, тупик?

Сложное строение и тонкая координация действий разных органов требуют мощного центра управления – продвинутой нервной системы. Возникнув, этот центр позволяет животному совершенствоваться далее, уже не за счет улучшения конструкции – увеличения скорости, силы, неутомимости или точности, – а за счет «правильности» действий. Животное начинает увеличивать успех своего размножения, питания и спасения за счет умения правильно оценить обстановку и предвидеть развитие событий. В результате возникает стимул к развитию мозга. Мозг становится сложнее, чем того требует управление мышцами, кишечником и печенью, эволюция нервной системы начинает опережать эволюцию остальных систем.

Дальше всех по этому пути продвинулись млекопитающие. Разница между мозгом мелового арктоциона и мозгом нынешних волков, лошадей или павианов гораздо больше, чем между мозгами археоптерикса и современной вороны. Поведение млекопитающих сложнее и тоньше, чем других позвоночных, и недаром млекопитающие стали господствующей группой наземных животных. Но самых невероятных успехов добился один отряд класса млекопитающих. Этот отряд – приматы.

Вообще, следует отметить, что с точки зрения анатомии и физиологии анормально развитый мозг приматов – уникум. Дело в том, что даже если у вас есть прямой резон развивать какую-либо систему органов, не факт, что это развитие окажется возможным. Естественный отбор может расценить крупный мозг и, соответственно, крупную голову, или, скажем, связанные с этим изменения тазового пояса самок, просто как уродство, мешающее убегать от врагов или гоняться за добычей. Развитие какой-то одной системы, причем развитие гипертрофированное, возможно только при совпадении множества условий и снижении интенсивности отбора. Такое совпадение – редкий случай. Приматам просто невероятно повезло – в какой-то момент их эволюции обстоятельства сложились в неповторимую комбинацию, направившую отбор именно по признаку «мозговитости». А вот сумеем ли мы вполне использовать этот подарок судьбы, или вымрем от неумения управлять своим поведением и своими сиюминутными желаниями – ответ на этот вопрос узнают наши потомки.

Схема строения мозга. 1 – кора больших полушарий; 2 – промежуточный мозг; 3 – таламус; 4 – гипоталамус; 5 – гипофиз; 6 – варолиев мост; 7 – начало спинного мозга; 8 – продолговатый мозг; 9 – мозжечок; 10 – средний мозг; 11 – мозолистое тело.

Кое-что об экологии

Наука о доме

За три с половиной миллиарда лет эволюция произвела на свет неисчислимое множество разнообразных живых существ, от простейших микроорганизмов до позвоночных и млекопитающих. Однако картина их развития будет неполной, если не сказать несколько слов о системе их взаимоотношений – друг с другом и с окружающей средой.

Взаимоотношения организма со средой его обитания, а также взаимоотношения с другими организмами, изучает наука экология. Этот термин ввел в научный обиход Эрнст Геккель в 1866 г. Экос (или ойкос) по-гречески – дом. Однако ойкос – это не только дом или место жительства. Существует еще одно слово, производное от этого корня, – ойкумена. Для древнего грека ойкумена – это населенный и познанный людьми мир. За пределами ойкумены – земля, населенная чудовищами, титанами, богами, человеку неподвластная. А логос – это не только слово, но и движущая сила, закон. Таким образом, экология это не только наука о доме (о среде обитания), но и закон обитаемого мира.

Изучение состава пищи водяной крысы, способов поиска и запасания корма – это экология. Изучение размножения этой крысы, изменений ее численности, зависимости численности от высоты весеннего паводка – тоже экология. Пути и способы приспособления белого медведя к жизни в Арктике (а значит, и изучение его физиологии, генетической изменчивости и факторов естественного отбора) – это тоже экология. Влияние мелких насекомоядных птиц на численность гусениц, влияющих на густоту листвы, влияющей на освещенность под пологом леса, влияющей на состав травяной растительности, влияющей на численность грызунов, от которых зависит бла-гополучие диких котов, разоряющих птичьи гнезда, – и это экология. Влияние дождевых червей на химизм почвы и ее способность к поглощению влаги или влияние зеленых растений на состав атмосферы – экология. Поэтапное преобразование горных пород, газов атмосферы и солнечной энергии в массу органического вещества – опять экология.

Сфера интересов экологии

Как сказал Эйман Макфедьен, «эколог самовольно бродит по владениям ботаника и зоолога, систематика, физиолога, зоопсихолога, метеоролога, геолога, физика, химика, и даже социолога; он браконьерствует во всех названных и во многих других почтенных дисциплинах».

Что такое экосистема

В самом широком смысле – это комплекс организмов, обитающих на определенной территории и связанных совместным преобразованием вещества и энергии, причем в этот комплекс как неотъемлемый компонент входит и сама эта физическая (или, как говорят экологи, абиотическая) среда. Таким образом, экосистема имеет в себе и «живой» и «неживой» компоненты.

Один из самых простых и наглядных примеров экосистемы – огород. Огород – это земля, вода и солнце (физическая среда), плюс растения (овощи), плюс человек. Овощи формируют свою плоть из вещества и энергии физической среды. Человек, поедающий эти овощи, возвращает часть съеденного обратно овощам в виде удобрений (по крайней мере, так делают японцы, удобряя свои огороды содержимым туалета), иначе запасы физической среды будут исчерпаны немногими поколениями овощей, и использует полученную от овощей энергию для разрыхления земли, полива, прополки, посадки очередного поколения овощей. Ни земля, ни овощи, ни человек по отдельности не являются огородом, только все три компонента вместе.

Как и многие другие биологические понятия, экосистема совершенно реальна и в то же время не имеет четких границ. Уж на что, казалось бы, четкие границы имеет озеро. Однако в озеро попадает листва окружающего леса, лес влияет на впадающий в озеро ручей и, при желании, мы можем рассматривать их как одну систему. Красивая небольшая птичка зимородок ловит в озере мелкую рыбешку и, несомненно, популяция зимородка является членом озерной экосистемы. Однако гнездится зимородок на берегу, на него охотятся сухопутные хищники, и свой помет он оставляет на суше. К какой экосистеме принадлежит зимородок? Не ломайте голову над этим вопросом и смиритесь с размытостью границ. Но и не сомневайтесь в их существовании. И мы, и зимородки прекрасно отличаем озеро от леса.

Зимородок

Нет на свете такого вида живых существ, который мог бы существовать в одиночку. Казалось бы, зеленым растениям, умеющим фотосинтезировать, никто не нужен: они сами «делают» себе еду из солнечного света и минеральных веществ, превращая неорганические вещества в органические. Однако никто не вечен в этом мире, и когда растение умрет, или хотя бы сбросит листья, часть минеральных веществ окажется изъятой из оборота – из листьев или отмерших стволов их надо извлечь и снова вернуть в почву. А вот самостоятельно разлагать мертвую органику растения-то как раз и не умеют! В итоге через некоторое число поколений, довольно небольшое, кстати, число, все минеральные вещества окажутся заключенными в трупах отмерших сородичей и станут растениям недоступны.

Вещество и энергия в экосистеме передаются по цепочке: от травы к зайцу, от зайца к лисе. При переходе часть энергии неизбежно теряется, поэтому масса лисиц меньше, чем масса зайцев, а масса зайцев меньше, чем масса растений. Поэтому выращивать кукурузу выгодней, чем свиней или коров, а коров или кроликов выгодней, чем, скажем, рысей. Хотя мясо рыси отменно вкусно и в средние века считалось деликатесом.

Нужен кто-то, кто бы мертвую органику разлагал и возвращал в круговорот. Почему Бог, Природа или Эволюция не создали организм, который умел бы делать и то и другое? Наверное, потому, что существует закон, такой же непреложный закон, как закон сохранения вещества и энергии – невозможно приспособиться ко всему сразу. Или все способности организма будут очень средненькими (а такому организму просто не выжить в этом жестоком мире), или что-то одно он будет уметь делать намного лучше, чем все прочее. Совмещение профессий всегда неэффективно.

Пищевая пирамида

В основе любой экосистемы лежит необходимость синтезировать живое вещество (продукция) и необходимость его разлагать (деструкция). Еще одна важная работа, без которой экосистема существовать не может, – регуляция и контроль. Как правило, организмы участвуют одновременно в нескольких процессах. Разлагают и регулируют, или синтезируют и регулируют, ведь многие механизмы в природе взаимосвязаны. Например, дождевой червь – работник деструкционного блока. Но он также проделывает скважины в почве, обеспечивая доступ воды и воздуха в ее толщу, а это уже скорее функция регуляторная. Деревья, несомненно, входят в блок продукционный. Но их кроны, затеняя почву, регулируют ее температуру и влажность. А выделения корней влияют на разложение органики и поставляют углеводы деструкторам-грибам, то есть дерево работает по совместительству и в деструкционном блоке.

Вообще, регуляторные механизмы пронизывают всю экосистему сверху донизу (и изучены пока плохо), но вот два основных производственных процесса – продукция и деструкция – в наземных экосистемах довольно четко разобщены в пространстве. Деструкция идет главным образом в почве, а продукция – наверху, на свежем воздухе. Что же касается запаса на черный день, то его экосистема может откладывать в разных местах. И от того, где хранится этот запас, зависят многие особенности устройства экосистемы.

Колыбель жизни?

Когда произносят слово «земля», в воображении обычно встает не наша планета, а теплый комок темного грунта, пронизанный тонкими корешками. Эта земля, почва, важнейшая часть любой наземной экосистемы. Вообще, почва, она в значительной степени «сама по себе». Ее изучает особая наука – почвоведение, она рассматривается как особое природное тело, особая система. Почва состоит из частиц горных пород, воды, живых существ (в основном микроорганизмов) и сложных органических молекул – гумусных веществ. Совокупность минеральных «песчинок» и облепляющих их гумусных веществ называется гумусом. Гумус – совместный продукт жизнедеятельности живых существ и сложных химических реакций, идущих в почве. Гумус обеспечивает темный цвет почве и именно в нем задерживаются минеральные удобрения, необходимые растениям.

Далеко не в каждой почве есть гумус. Гумус – «вершина» деятельности деструкторов. Если деструкторов недостаточно или их деятельность нарушена, гумус не образуется, он заменяется другими органическими составляющими почвы. Тогда вместо нормальной почвы может возникнуть, например, торф.

Все элементы почвы тесно связаны, то есть почва может рассматриваться как особая экосистема, точнее – особый тип экосистем. Принято считать, что жизнь возникла в океане. Но очень может быть, что колыбелью жизни были грунтовые растворы, насыщенные минеральными веществами и органическими продуктами вулканических извержений. И уже оттуда, из грунта, первые формы жизни проникли в океаны. Так или иначе, но почвы (или, по крайней мере, палеопочвы) возникли почти одновременно с возникновением жизни.

Строение почвы: Ао – подстилка; А – гумусный (перегнойный) горизонт; В – горизонт вмывания; С – материнская порода

Да, многоклеточные организмы появились, скорее всего, на теплом мелководье. Но когда первые растения и животные начали завоевывать сушу, они столкнулись не с мертвой пустыней, а с этим необыкновенным природным телом – почвой.

Современные наземные экосистемы – это сложные конструкции, их разные этажи имеют разный возраст, и все это здание покоится на фундаменте невообразимой древности – почве. Конечно, не надо думать, что соседний сосновый бор растет на почве, образовавшейся четыре миллиарда лет назад. В каждом конкретном месте почва зарождается, развивается, живет и, рано или поздно, умирает (или перерождается). И современные почвы уже совсем не те палеопочвы, что возникли на Земле вскоре после формирования твердой земной коры. Хотя бы потому, что надстройка верхних этажей включала перестройку нижних. Но это совершенно не мешает почве сохранять древние черты. Так, в основе навороченного «мерседеса» явственно проглядывает конструкция древней повозки – четыре колеса на двух осях и лежащий на них кузов. И, кстати, древнее далеко не всегда значит примитивное. Иногда наоборот, это значит доведенное до совершенства и прошедшее проверку временем.

Степи, леса и полупустыни

Большинство наземных экосистем относится к одному из двух основных типов: это или «леса», или «степи». В степях все, или почти все, запасы спрятаны под землей, в почве. Как выразился Вячеслав Генрихович Мордкович, почва – «курдюк» степных экосистем. В основном это питательные вещества, захваченные гумусом. Но не только. Масса питательных веществ отлагается в подземных частях растений – корневищах, клубнях и луковицах. А в лесах «жировые запасы» откладываются главным образом в надземном слое, в многолетних частях древостоя – в стволах и ветках.

В результате в степных экосистемах та часть продукционного блока, которая выставлена на поверхность и в которой, собственно, и идет синтез органики – стебли и листья, – легко и быстро восстанавливается. Пожары, сенокос, выпас скота – степные экосистемы относятся к этим напастям довольно философски. Прошел пожар по степи, а через месяц-другой вы и не отличите выгоревшее место от невыгоревшего, разве что на пожарище трава сочнее и зеленее. В лесах к надземной части экосистемы нужно относиться гораздо более бережно, ее разрушение ведет к гибели сообщества.

Лесные экосистемы во многом полная противоположность степным. Почвы здесь существенно беднее. Коль скоро запас в почве создать не удается, выход только один – как можно быстрее все, что образуется в деструкционном блоке питательного, всосать обратно, в блок продукционный.

Схема организации «степной экосистемы»

Сами растения тоже не дремлют. Перед сбросом листвы все, что только можно, растение откачивает обратно, в многолетние органы. Именно поэтому скот (и грызуны, и насекомые) благополучно кормится засохшей на корню степной травой, очень питательной, сохранившей почти все свои кормовые свойства, кроме влажности. А вот в опавшей древесной листве мало съедобного (с нашей или, скажем, коровьей точки зрения), но зато полно вредных, ненужных растению отходов.

Принято считать, что для крупных травоядных степи более благоприятны, чем леса, что именно в степях паслись некогда тысячные стада копытных, а леса и раньше и сейчас бедны крупными травоядными. Это не совсем так. В хорошем лесу тоже есть (точнее, были, пока не вмешался человек) крупные стадные животные. Именно лес, а не тундра – родина дикого северного оленя. В лесу паслись зубры, туры, лесные тарпаны. В лесах живут бобры – крупные (ну, по крайней мере, по сравнению со степными сусликами) социальные животные. От того, что социальная группа бобров называется семьей, а не стадом, суть дела не меняется.

Дело в том, что исконные, ненарушенные рубками и пожарами леса были несплошными: участки густого древостоя в них чередовались с полянами и луговинами. Такой комплекс, мозаика лесных и степных участков на месте современных степей обусловили существование там богатейшего населения животных до развития сельского хозяйства, в частности подсечно-огневого земледелия, «убившего» лес.

Схема организации «лесной экосистемы»

Не только лес имеет «дырки», в которые проникают степные элементы, есть и «дырявые» степи. Таковы саванны, разреженные арчевники высокогорий, саксаульники Каракумов. От дерева до дерева здесь порой не один десяток метров, да и деревья, по нашим меркам, так себе, скорее кусты. Но под каждым таким деревом, под его кроной, свои, «лесные» почвы, свои деструкторы, свой набор трав. Пространства между деревьями заняты типичной степной экосистемой. И, как и в случае с лесом, наличие «дырок» существенно повышает продуктивность и биоразнообразие сообщества.

Очень многие животные работают здесь по совместительству и в той и в другой системе. Полуденная песчанка, зверек, похожий на желтую крысу с волосатым хвостом, роет свои норы под кустами саксаула. Она перемешивает в «лесу» почву, аэрирует ее, осенью питается семенами саксаула, короче – полноправный член саксаульной экосистемы. Однако семена – сезонный корм. И большую часть года основная пища полуденной песчанки – стебли и корневища песчаной осоки, то есть она входит и в экосистему «степную». Мало того, оставляя в норах свои экскременты песчанка переносит часть (и довольно ощутимую часть) «степной» продукции в саксаульный деструкционный блок. Но не надо расстраиваться такой несправедливостью. Двоюродная сестра полуденной песчанки, песчанка большая, делает все наоборот. Она рыхлит почвы в основном в пространствах между деревьями, здесь же и питается часть года. Но начиная со второй половины лета и до весны она лазает по саксаулу, состригает тонкие веточки с сочными вегетативными побегами и семенами и утаскивает их в «степь». В целом осоковые саксаульники больше напоминают степь, уж больно много здесь растительноядных животных, которые во все суют свой нос и очень сильно определяют лицо всей этой сборной экосистемы. А вот фисташковые саванны на юге Туркмении в целом уже имеют более выраженные «лесные» черты.

Однако, как бы ни смешивались лесные и степные экосистемы, особенности их организации выражены очень отчетливо. Различия лесов и степей не только в том, где экосистема хранит заначку, и об особенностях устройства этих экосистем стоит поговорить подробней.

Лови мгновение

С точки зрения жителя Мурманска, Вологды или даже Москвы, степи – это благодатный юг. Благодатный-то он благодатный, но вовсе не своим климатом. Степной климат суров.

Зимой там ничуть не теплее, чем в Костроме или Архангельске, температуры до –30° в центральной части степной зоны – дело обычное. Даже в Каракумах ночная температура января сплошь и рядом зашкаливает за –20°. Зато летом стоит жара, температура воздуха за +30°, а поверхность почвы, не укрытая травяным покровом, может нагреваться до 60–70°. Так что растительность – продукционный блок – и здесь, хоть и меньше, чем в лесу, не только кормит всю систему, но и участвует в формировании ценотической среды. Но сейчас мы говорим о климате. Так вот, осадки в степи почти всегда распределены по сезонам крайне неравномерно. Основная их часть выпадает зимой, когда они не очень – то и нужны. Довольно часты дожди и весной. А летом и осенью месяцами может не выпадать ни капли. Так что контраст между временами года в степи, даже в северной, гораздо больше, чем в зоне лесов. А на юге – так вообще караул. Мало того что летом сухо и жарко, так еще и ветер уносит влагу, которую вольно – невольно испаряет и почва, и растительность. Мало того, еще и год на год не приходится.

Саксаул

Живое существо не может одинаково эффективно функционировать во всем диапазоне условий степного климата. Это касается даже животных, сумевших достичь очень высокого уровня независимости от изменений температуры, влажности и освещенности. Ящерицы, лягушки, черви и насекомые, не говоря уж о птицах и млекопитающих, в целом выдают гораздо более устойчивые рабочие показатели, чем растения.

То же насекомое может продолжать работу при довольно резком изменении условий. Жарко – оно будет держаться в тени, холодно – на солнце. Да и вообще, даже у насекомых температура тела порой больше определяется самим организмом, чем погодой.

У летящего шмеля за счет работы мышц температура тела около 40°, при том что вокруг может быть около нуля.

Но растение не умеет ни вырабатывать тепло, ни бегать – работник продукционного блока вынужден торчать на месте, что бы ни происходило в окружающем мире. Устойчивость работы этого блока достигается за счет того, что в разных условиях включаются в дело разные члены этого блока. В степи очень резко выражена, как говорят ботаники, сезонная смена аспектов. Холодной ранней весной вегетируют (производят органическое вещество и наращивают биомассу) одни растения, поздней весной другие, летом третьи, под осень четвертые. Мало того, аспекты различаются, в зависимости от условий, по годам. В один год весенняя степь красная от маков, в другой – лиловая от малькольмии, в третий – желтая от сурепки. В результате эффективность работы продукционного блока сохраняется высокой, пока условия не станут совсем уж запредельными. Конечно, она меняется, но меняется намного меньше, чем если бы работало только два-три вида растений. Причем на такие фокусы способны именно травы, которые могут буквально «выстрелить» в считаные дни.

У медленно растущих деревьев это получается намного хуже. Они «предпочитают» не подстраиваться под изменения погоды, а самостоятельно изменять условия среды, выравнивая все колебания.

Возрождение из пепла

Лесная экосистема, казалось бы, довольно уязвима для разнообразных напастей. А напасти случаются всякие и помимо человека. То буря повалит деревья, то пройдет по лесу зажженный молнией пожар. Однако леса существуют, несмотря на все время от времени случающиеся неприятности. А существуют они благодаря особым ремонтным бригадам, которые восстанавливают нарушения за довольно короткий с точки зрения леса срок – всего за сотню-другую лет.

Где-нибудь в Костромской губернии растет на сухой песчаной гряде старый зеленомошный сосняк-брусничник. Но вот пришли лесорубы, сосняк вырубили, почву перепахали гусеницами тракторов, а потом еще и сожгли то, что на языке лесников называется «порубочные остатки». На месте векового бора возникла песчаная пустыня. Семена сосны будут сюда попадать, если, конечно, в окрестностях сохранилась сосна. Но большинство семян просто не прорастет, а те, кому это удастся, будут страдать и часто гибнуть от засухи, морозов и вредителей…

Проходит, однако, несколько лет, и в эту пустыню проникают совершенно определенные виды растений, вытесняющие сорняки. Там, где почва выгорела посильнее, до чистого песка, поселяются мхи, а вслед за ним – вереск и лишайник кладония. В мелких западинках, где повлажнее и которые не очень затронуты выжиганием остатков, появились овсяница, медвежье ухо, кошачья лапка. Это и есть работники аварийной службы лесной экосистемы. Через десяток лет они создадут условия, в которых сосновые семена будут приживаться. Конечно, большая часть проростков будет продолжать гибнуть. Но с каждым годом выживших будет становиться все больше, молодые сосенки начнут тянуться вверх, смыкаться кронами, под кроны начнет проникать брусника, сосняк войдет в стадию жердняка, начнутся «рубки» ухода, и через сотню-другую лет возродится сосновый бор. Если только лет через пятьдесят-шестьдесят сюда снова не придут лесорубы.

Когда подобная напасть случается с другим леса, скажем, с майниковым ельником, восстановительные работы требуют более сложных операций, которые идут в несколько этапов.

На месте уничтоженного ельника вырастает трава-белоус, которая создает условия для проникновения сюда березы и черники. В черничнике, под прикрытием березы, начинает возобновляться ель, и через полсотни лет здесь возникает ельник-черничник, который еще через некоторое время возвращается в исходное состояние ельника майникового. Если же почвенный покров был выжжен очень основательно, то на месте ельника начнут расти мхи и вереск, затем поднимется сосна, а ельник возродится под прикрытием уже не березы, а сосны. Но возродится обязательно.

Майник двулистный

Белоус

Может возникнуть вопрос: а где работники аварийной службы пережидают периоды мирного существования лесов? До появления человека эти периоды могли быть очень длительными, фронта работ для ремонтников могло не появляться очень долго. Как они не вымерли? На самом деле восстановление лесов на обширных пространствах, так сказать «капитальный ремонт», – не единственная задача ремонтников. Сплошь и рядом происходят местные нарушения. Упало огромное старое дерево, повалило, падая, еще пару деревьев помоложе. Подул сильный ветер, повалил еще несколько старых деревьев, лишившихся прикрытия соседей. В лесном пологе регулярно возникают дырки. Вот эти дырки и штопают ремонтные бригады, постоянно занимаясь текущим ремонтом экосистемы.

Биосфера

Хотя в слово биосфера и входит частица «био», однако это понятие, строго говоря, не имеет отношения к биологии. Изначально термин «биосфера» – из области геологии, точнее геохимии. Деление внешнего слоя Земли на сферы – атмосфера, гидросфера, литосфера – используется геологами с незапамятных времен и отражает своеобразие состава и химических процессов в этих средах. То же самое относится и к био-сфере.

Биосфера – это та часть верхних слоев планеты, в которых присутствуют активные живые организмы, за счет которых это «геохимическое пространство» имеет совершенно особый состав и особый ход преобразования геологических пород.

С точки зрения эколога, биосфера – совокупность всех экосистем планеты. Эти экосистемы влияют друг на друга, некоторые из них поставляют друг другу различные вещества или создают друг для друга определенные условия и существовать сами по себе не могут.

Например, леса и болота регулируют сток рек, от которого зависит существование экосистем озер и морских заливов. Лесные экосистемы, главным образом экосистемы тропических лесов, отвечают за климат планеты. Надо сказать, что в лесах сосредоточено более половины всей массы живых существ планеты, включая и обитателей океанов.

Леса расположены в местах, где выпадает наибольшее число осадков. Значительную часть этих осадков растения лесов испаряют обратно в атмо-сферу. Растения одного гектара вечнозеленого тропического леса ежедневно испаряют около 150 (ста пятидесяти!) тонн воды. Это приблизительно в двадцать раз больше, чем при той же температуре испаряется с одного гектара открытой водной поверхности. А теперь посчитаем – площадь только тропических лесов на планете – около пятнадцати миллионов квадратных кило-метров. Площадь Мирового океана – около 360 миллионов. Результат впечатляет – влажные тропические леса производят такое же количество облаков и, следовательно, дождей, сколько весь Мировой океан. Если экосистемы вечнозеленых тропических лесов исчезнут с лица Земли, а к этому, похоже, дело и идет, климат на планете катастрофически изменится.

Считается, что впервые представление о биосфере, как особой геохимической зоне, было сформулировано великим естествоиспытателем Жаном Батистом Ламарком в конце XVIII столетия. Во всяком случае, так считал один из крупнейших геохимиков, Владимир Иванович Вернадский.

Влияние биосферы на геологические процессы

Сам термин «биосфера» придумал и ввел в обиход австрийский геолог Эдуард Зюсс в конце XIX века. Однако вдохнул в него жизнь Вернадский, в начале XX века впервые детально исследовавший роль живого в геохимических циклах конкретных химических элементов. Кстати, и сам термин «геохимия», впервые примененный швейцарцем X. Ф. Штенбейном в 1838 г., возродил Владимир Иванович на паях с норвежцем Виктором Гольдшмидтом.

Значение биосферы в геохимии планеты чрезвычайно велико. Возьмем кислород. Сейчас любому школьнику известно, что практически весь свободный кислород планеты: и содержащийся в атмосфере, и растворенный в воде, – продукт жизнедеятельности зеленых растений и фотосинтезирующих бактерий. Под влиянием ультрафиолетового излучения солнца и электрических грозовых разрядов молекула кислорода (О_2) превращается в еще более активный атомарный кислород О и озон (О_3). Возникший благодаря деятельности организмов-фотосинтетиков озоновый экран перекрыл доступ к поверхности планеты жесткого ультрафиолетового излучения и, таким образом, прекратил течение ряда фотохимических реакций, игравших очень важную роль в преобразовании многих минеральных соединений в докислородную эпоху.

Кроме того, кислород – очень активный, агрессивный элемент. Наличие в среде больших количеств свободного кислорода коренным образом меняет ход химических преобразований на поверхности Земли. Один из наиболее ярких примеров – геохимическая судьба железа. Концентрация солей железа в водах, насыщенных кислородом, сильно уменьшается, возникают отложения железосодержащих соединений. Значительная часть железных руд, используемых человеком, – результат выделения фотосинтетиками свободного кислорода. Запасы этих руд сформировались в период, когда живые существа начали преобразование атмосферы. Заметим, кстати, что другая часть железных руд обязана своим происхождением деятельности некоторых групп бактерий, обмен веществ которых устроен таким образом, что они используют железо в ряде биохимических реакций, результатом которых являются нерастворимые соединения железа.

Не менее показательна роль биосферы в судьбе кальция. Еще Карл Линней в первой половине XVIII столетия утверждал: «Весь известняк – из червей». И был прав. Известь, или углекислый кальций (СаСО_3), на Земле производится почти исключительно живыми существами. Все отложения известняков, достигающие толщины нескольких километров, – результат деятельности водных организмов, формирующих свои скелеты из извести: моллюсков, коралловых полипов и многих других. В течение многих сотен тысяч лет микро– и макроскопические остатки мертвых существ опускались на дно морей. Со временем, под влиянием собственной тяжести, масса этих осадков превратилась в километровые толщи мела, мергеля, мрамора. Если бы не живые организмы, этих пород на планете просто не было бы.

Биосфера и человек

Экология, экологические проблемы, экологическая катастрофа, деградация биосферы. Эти слова слышал или читал каждый из нас. Действительно, то, что творит на планете человек, совершенно выходит за рамки нормальных биологических процессов и по своим последствиям вполне сопоставимо с падением гигантского метеорита, или нашествием полчищ киберов из системы Альдебарана, или другими бедствиями, которые так любят выдумывать писатели-фантасты. Не будем распространяться о выбросах в атмосферу углекислого газа, озоновых дырах, радиоактивном загрязнении и разлитой в морях нефти. Окинем беглым взглядом хотя бы основные наземные экосистемы и изменения, которые они претерпели за последние две сотни лет.

Площадь лесов на планете сократилась более чем втрое. Это только по официальным данным, которые предоставляют соответствующие министерства различных стран. Из оставшейся трети лишь небольшую часть можно назвать лесами. Причем, строго говоря, это зачастую не леса в понимании нормального человека, а то, что в официальных бумагах называется «лесопокрытая площадь». В цивилизованных странах существенная часть этой площади – искусственные посадки на месте вырубок. Считать лесом вытянутые по ниточке молоденькие деревца, поливаемые удобрениями и ядохимикатами, могут только чиновники и воротилы лесной промышленности. В странах менее цивилизованных, в число которых, наряду со странами Африки, Южной Азии и Южной Америки входит и Россия, вырубки в основном зарастают стихийным образом. Но и эти молодые леса не многим отличаются от искусственных посадок. Это, конечно, лес, но биомасса таких лесов намного ниже биомассы первичных, ненарушенных, лесов. Значит, намного ниже и влияние этого леса на среду. Первичных же лесов на планете практически не осталось. Нигде: ни в таежной зоне, ни в тропиках. Площадь таких лесов – менее двух процентов всей «лесопокрытой площади».

Что касается степей… впрочем, какие такие степи? Ныне нетронутых степей на планете фактически нет. Остались крошечные клочки нетронутых степей, вроде заповедника Галичья гора площадью в два квадратных километра. Таких заповедников во всем степном поясе пара десятков, их общая площадь – площадь полей одного приличного колхоза.

Сокращение площади лесов (на примере Вьетнама) с 1943 года

Хуже всего обстоят дела в тропической зоне. Многие свято верят, что тропики – рай земной, где, чтобы прокормиться, нужно просто лечь под ближайшим деревом и открыть рот. Или, в крайнем случае, ткнуть в землю какой-нибудь батат, а «оно за месяц само вырастет». К сожалению, все с точностью до наоборот. Сельское хозяйство в тропиках намного, в несколько раз, менее эффективно и более трудоемко, чем в нашей умеренной зоне. Дело в том, что тропические леса – верх лесного совершенства. Мы уже говорили, что в почвах под лесами тропиков практически нет питательных веществ. Все, что падает мертвым на землю, стремительно возвращается в тела тропических деревьев. Расчищенный участок дает максимум два-три урожая, потом его надо забрасывать и расчищать новый. Кроме того, ливни здесь таковы, что обнаженная почва моментально размывается. Можно удержать поле путем всяких современных агротехнических ухищрений, но это очень дорогое удовольствие. И дело вовсе не в том, что бедный негр или индеец не могут себе этого позволить. Просто хозяйство становится нерентабельным, себе в убыток, неважно, кто ты, нищий фермер или богатый плантатор. Так на месте сводимых лесов через несколько лет возникает пустыня.

Тропический лес (схема): 1 – ярус «деревьев маяков»; 2 – первый ярус; 3 – второй ярус; 4 – ярус подлеска

Все сказанное о тропических лесах свойственно и лесам умеренной зоны. Вплоть до конца XVIII – начала XIX века в лесной зоне (которая в те времена простиралась дальше на юг и на север) было распространено подсечно-огневое земледелие. Этот способ землепользования так же быстро истощал почвы, поэтому в расчистку включались все новые и новые территории. В какой-то момент крестьяне были вынуждены начать использовать земли, еще не восстановившиеся от предыдущей расчистки. Таким образом леса северной части Европы были обеднены еще до начала промышленных рубок XVIII века.

Лиственница: 1 – общий вид; 2 – молодая шишка; 3 – побег со зрелой шишкой; 4 – хвоинка; 5 – хвоинка на поперечном срезе

Нельзя оставить без внимания и зону тундр. Вырубка коренным населением деревьев на пределе возможности существования последних таким образом меняет микроклимат, что под воздействием зимних ветров новые уже вырасти не могут. Примером может служить известный лиственничник на Ямале, один из последних. Сквозь него была проложена тропа для гона оленей на север. Под копытами тысячных стад она расширилась, и большой кусок леса превратился в два маленьких. По открытому пространству ветер несет поземку с маленькими кристаллами льда. Они ранят все живое, что выступает из снега. Лиственничник гибнет и уже не восстанавливается.

Взгляд назад

Еще 10–15 тысяч лет назад Сахара была покрыта благодатной саванной, изобиловала травой, водой и дичью и была заселена процветающими народами. Об этом бесспорно свидетельствуют рисунки, сохранившиеся на выжженных солнцем скалах. Нарастающая сухость климата и опустынивание вытеснили людей в заболоченную долину Нила. В результате экологической катастрофы возникла великая цивилизация Египта.

Средние века, чума в Европе, уничтожившая во многих районах три четверти населения, вполне под стать ядерной войне. Чума пришла из Азии, пришла по возникшим к этому времени торговым путям и смогла развернуться благодаря возросшей численности населения, возникновению городов и активных связей между городами и странами. Это – тоже экологическая катастрофа.

Современные проблемы мало отличаются от проблем наших предков, ничего принципиально нового человечество не выдумало.

Загрязнение среды? В средневековых городах издавались указы, запрещающие сжигать в печах «зловонные вещества», сливать в реки отходы красильного и кожевенного производства.

Значит, уже тогда загрязнение среды доставляло определенные неприятности. А свинцовые трубы римских и средневековых водопроводов? А свинцовая посуда и широкое применение красителей, содержащих свинец? Нет, среда, в которой жили предки, во всяком случае горожане, вряд ли была много чище. Деградация сельскохозяйственных земель в результате их неразумной эксплуатации? Хищническое сведение лесов? И это все было. Этот букет проблем был хорошо знаком человеку с седой старины и способствовал упадку многих древних государств Среди-земноморья, Северной Африки, Малой Азии, Индостана, Центральной Америки.

Так что – проблема не нова. Принципиальное отличие современной ситуации только в одном. Раньше экологические катастрофы стирали с лица земли отдельные племена и народы, а сейчас впервые они угрожают человечеству в целом.

Есть, правда, и повод для острожного оптимизма: сейчас мы знаем (хотя бы приблизительно), что мы делаем неправильно, и можем (если захотим, конечно) выработать оптимальные формы взаимодействия с природой. Воспользуется ли человечество своими знаниями?

А вот это целиком и полностью зависит от нас с вами, в том числе и лично от вас, уважаемый читатель.

Content

А. Ю. Целлариус
Нескучная биология

Предисловие

Кое-что о жизни вообще

Странная планета

Четыре кита

Еда, скелет и броня

Основа основ

Память поколений

Липиды

Вещество и энергия

Самообслуживание

Эволюция

Что такое «вид»?

Источник новизны

Гены, аллели и популяции

Эволюция

Что такое приспособленность

Куда ведет отбор

Зачем павлину хвост

Кто есть кто

Чем занимаются систематики

Шесть царств

Беспризорники

Прокариоты

Блеск и нищета прокариот

Гастрономические причуды

Кто на земле главный?

Внутренний мир эукариот

В чем разница?

Протисты

Кто такие протисты

Дополнительные конструкции

Амебы и их родня

Всякий сброд со жгутиками

Профессиональные паразиты

Верх совершенства

Одноклеточные водоросли

Красные и бурые водоросли

Предки растений

Двойники грибов

Суперамебы

Грибы

Предки не обнаружены

Что такое гриб

Невидимая сила

Друзья и враги

Лишайники

Растения

Выход на сушу

Без чего на суше не обойтись

Вечная жажда

Сосудистые и не очень

Плауны, хвощи и папортники

Как появилось семя

Следующий шаг

Верх совершенства

Неразрывная связь

Животные

Особый путь

На полпути

Носители прогресса

Хорошего должно быть много

Все из ничего

Бронированный червяк

Прародители хордовых?

Ланцетник

Позвоночные

Между двух стульев

Все мы вышли из яйца

Что дальше?

Птицы

Питающие молоком

Вершина эволюции

Кое-что об экологии

Наука о доме

Что такое экосистема

Колыбель жизни?

Степи, леса и полупустыни

Лови мгновение

Возрождение из пепла

Биосфера

Биосфера и человек

Взгляд назад