Том Джексон

Взламывая биологию

Tom Jackson

PONDERABLES: BIOLOGY

Originally published in English.

Печатается с разрешения издательств Worth Press Ltd и Shelter Harbor Press.

В оформлении книги использованы иллюстрации Shutterstock, Alamy, iStock, NOAA, Science & Society Photo Library, Wikipedia, Wellcome Library (London) и др.

© Worth Press Ltd, Cambridge, England, 2017

© Shelter Harbor Press Ltd, New York, USA, 2017

© ООО «Издательство АСТ», 2019

Введение

Биология изучает живой мир, и задача эта не из легких. Живые существа – самые сложные объекты во Вселенной. В простой бактерии происходят тысячи взаимосвязанных химических реакций, поддерживающих жизнь клетки, а организм состоит из миллиардов клеток, и все они должны слаженно работать. Лес, рифы и вся планета – это огромное сообщество невероятно разнообразых форм жизни, которые живут под воздействием друг друга и умирают. Как во всем этом разобраться?

О словах и делах великих мыслителей сложены замечательные истории, а на этих страницах их целая сотня. Каждая рассказывает о серьезной и весомой задаче, которая привела к важному открытию и изменила наше понимание мира. Добыть знание не так уж просто: для этого приходится трудиться, добывать и рассматривать доказательства, делать собственные выводы о том, что верно, а что ложно.

Микроскопы открыли новый мир биологической активности.

Биология часто проверяет на прочность общепринятые нормы и ниспровергает их. В XVII в. Уильям Гарвей показал, как работают сердце и система кровообращения, исследовав умерших людей (и умирающих животных), что для ранних исследователей было запретной практикой.

Процесс обучения

С точки зрения современности даже самые блестящие теории иногда кажутся совершенно неправильными, но наука тех лет не могла предложить ничего лучше. Наша цивилизация строится на знании – о растениях, животных и всем, что есть вокруг нас, – и со временем наше знание конвертируется в более ясную картину реальности.

Понимание живого мира – то есть того, чем все формы жизни похожи и чем они могут отличаться, – это лучший способ понять самих себя, как мы вписываемся в этот мир и как можем изменить, улучшить и, прежде всего, защитить его.

Жизнь в природе

Когда человек заинтересовался природой? Такая постановка вопроса предполагает, что люди не вполне ее часть, а нечто обособленное. Конечно, при взгляде на страницы этой книги, текст и рисунки, становится ясно, что мы способны на то, чего не умеют остальные живые существа. Но мы вышли из природы, как и цветы, рыбы и грибы. И в начале наших дней другие формы жизни, вероятно, были для нас либо пищей, либо угрозой. Около 15 000 лет назад что-то изменилось. Люди начали разделять свою среду обитания с другими организмами. Сначала появились собаки, или прирученные волки, которые жили среди людей и помогали защищаться и охотиться – а возможно, и дружили с человеком. Проходили тысячелетия, люди учились разводить животных для пропитания и помощи в труде, выращивали культурные растения, и только когда природа превратилась в полезный инструмент, наши предки начали задавать более глубокие вопросы о том, как она устроена и какое огромное разнообразие таит.

Яркий окрас крошечной лягушки из Центральной Америки предупреждает хищников: не трогать, кожа ядовита!

Гены организмов легко сравнить с помощью методик профилирования, которые, по мнению некоторых, также указывают на родство. Согласны не все.

Цели биологии

Сначала биология растений была частью медицины: врачи учились использовать травы, кору и сок разных растений в качестве лекарств (с переменным результатом). Биология животных, вероятно, началась с охоты. Правители искали новых, более крупных и яростных противников, на ком можно было бы опробовать свои навыки убивать. В итоге известных организмов становилось все больше, и люди начали отмечать отношения и связи между ними. При последнем подсчете биологи описали 1,3 млн видов, и, по их оценкам, не имеют названия еще 7 млн.

Фермеры, со своей стороны, обнаружили, что характерные особенности организмов можно менять, контролируя, какие особи скрещиваются. Понимание процессов наследования революционным образом изменило наше понимание жизни, создав сферы генетики и эволюционной биологии. Однако среди огромного разнообразия организмов современные биологи ищут не только общие закономерности, управляющие живыми существами, но и особенности. В последние годы знания из области биологии легли в основу технологий. Что это означает для жизни, как мы ее знаем, в будущем?

Вирус – это ДНК в белковой оболочке. Он живой? Биологи не могут договориться.

Зверинец

Изначально другие живые существа интересовали человека только по причине своей съедобности. Мы выращиваем культурные растения и держим скот около 13 000 лет. Но впервые нас изумили красота и разнообразие мира животных, когда мы оказались в зверинце.

Зверинец – это частная коллекция животных, выставленная на обозрение публике ради потехи и для поддержания высокого статуса его владельца. Наибольшую популярность зверинцы приобрели в XVIII в., когда европейские аристократы, соревнуясь друг с другом, демонстрировали самые необычные создания, какие только могли найти. Так появился прообраз первых зоологических парков, или зоосадов. Однако история зверинцев началась гораздо раньше.

Город зверей

Старейший известный зверинец обнаружили относительно недавно. В 2009 г. археологи нашли в Нехене, древнем городе на берегах Нила в Центральном Египте, более сотни скелетов животных. Останки были бережно захоронены, как если бы это были останки людей, и ученые выдвинули предположение, что обнаружили царский зверинец.

На этом древнеегипетском изображении нильский крокодил готовится напасть на рожающую самку гиппопотама.

ВОРОТА БОГИНИ ИШТАР

Навуходоносор II, царь Вавилона, знаменит тем, что приказал высадить висячие сады Семирамиды. Также он известен как великий воитель, «покоритель народов». Пышные висячие сады, по легендам, росли на склоне рукотворной горы, должны были порадовать жену царя, персианку, которой не нравилось жить в сухой пустыне. Новшеством в городе времен Навуходоносора также были ворота богини Иштар – вход во внутренний город для вавилонской знати. Ворота покрыты изображениями живых существ, в частности львов и цветов. Самыми примечательными из них считают изображения дракона-сирруша – воплощения бога Мардука, покровителя Вавилона (и любимого бога царя), и быка – дикого предка домашнего скота, воплощения Адада, бога дождя, которого следовало умилостивить, чтобы отогнать голод.

Во II в. до н. э. Ганнибал, полководец из Карфагена в Северной Африке, использовал мощь слонов для завоевания Италии, принадлежавшей Древнему Риму.

На момент, когда производились эти захоронения, то есть около 3500 г. до н. э., Нехен был крупнейшим городом Египта и столицей Верхнего Египта (располагался южнее Нижнего). Древние греки называли его Гиераконполис, или «Город сокола», – в честь бога Гора с соколиной головой. Зверинец с гиппопотамами, бабуинами, слонами и дикими кошками был символом божественной власти правителя (кто это был, неизвестно). После его смерти животных принесли в жертву, закутали в тонкие ткани и разместили на ложах из тростника.

Царские коллекции

Позднее правители держали зверинцы из вполне мирских соображений, например для охоты. Императрица Танки, правившая Китаем в XII в. до н. э., построила мраморный «дом оленей» – первый известный зоопарк в этой стране. В IV в. до н. э. Александр Македонский, когда его армии завоевывали необъятные просторы Азии, отправлял необычных животных в Грецию. Ребенком Александр учился у Аристотеля, одного из величайших мыслителей в истории. Аристотель знаменит своими идеями в области логики, физики и этики. Куда меньше его знают как основателя новой науки – биологии.

АШШУР-БЕЛ-КАЛА

Ашшур-бел-кала, в XI в. до н. э. царь Ассирии (на территории современных Ирака и Сирии), часто получал подарки от влиятельных египетских соседей. Царю дарили множество экзотических животных, собранных в глубинах Африки, в их числе большая обезьяна (вероятно, горилла), крокодил и «речной человек» (возможно, дюгонь, или морская корова), а также другие «звери Великого моря». Царь огородил для своих зверей пространство рядом с дворцом в Ашшуре и отправил по всему миру посланников в поисках новых существ – и чтобы похвастаться, и для оттачивания своих охотничьих навыков.

Животные Аристотеля

Основоположником науки о живом, как правило, считают Аристотеля. Его работы объединили и упорядочили знания по биологии и на протяжении веков оставались авторитетным проводником по миру животных.

Аристотель был сыном придворного врача царской семьи Македонии. Как и его отец, он выучился медицине, затем отправился в Афины изучать философию у Платона. И именно как великий мыслитель он вошел в историю. Аристотель много путешествовал и вел детальные наблюдения за живыми созданиями, особенно водными, – возможность изучать их он получил, когда жил на острове Лесбос, близ большой лагуны. Он искал закономерности во всем разнообразии жизни и попытался объяснить их в шести книгах. До него о мире природы высказывались и другие мыслители, но Аристотель первым объединил теорию с исследованиями и экспериментами. Биология Аристотеля далеко не безупречна. Например, он полагал, что задача мозга – охлаждение тела, а мыслительный процесс происходит в сердце. Он также верил в самозарождение жизни – в то, что жизнь может появиться в неживом материале.

Уже пожилым человеком Аристотель вернулся в Македонию и учил сына царя, Александра (которому предстояло стать Великим). Философ внушил своему ученику восхищение перед животными и природой – а возможно, и завоеваниями!

КСЕНОФАН

В конце VI – начале V в. до н. э. философ и поэт Ксенофан посещал различные уголки Греции. Судя по всему, он дожил до глубокой старости по меркам того времени – по его собственным воспоминаниям, он с 25-летнего возраста и в течение следующих 67 лет «мысль по Элладе носил».

Ксенофан верил, что мир появился из воды и земли. Он первым сформулировал теорию истории Земли, основываясь на своих находках. Окаменевшие останки морских существ, обнаруженные на суше далеко от моря, привели его к заключению, что всемирные наводнения чередовались со всемирными засухами.

Группы животных

Аристотель понял, как можно систематизировать растения и животных в соответствии с их физиологическими особенностями и поведением. Он разделил животных на две группы – кровяных и бескровных (то есть тех, у кого нет крови красного цвета). Такое разграничение приблизительно соответствует современному делению животных на позвоночных (высший тип хордовых) и беспозвоночных (моллюски, черви, губки и прочие). Аристотель объединил животных с похожими характеристиками в роды, и эта категория все еще используется современными биологами, хотя и не в таком широком смысле, как у древнегреческого мыслителя.

По Аристотелю родов кровяных животных пять: живородящие четвероногие с волосами (млекопитающие); яйцеродящие четвероногие или безногие со щитками на коже (рептилии и амфибии); яйцеродящие двуногие, летающие, с перьями (птицы); живородящие безногие, водные, с легкими (китообразные); яйцеродящие или живородящие, безногие, водные, с жабрами (рыбы).

Аристотель не знал о носорогах, но его ученик Александр Македонский прислал домой экземпляры из Индии. Предполагается, что легенда о единороге, по крайней мере отчасти, возникла при знакомстве с этим зверем.

Бескровных животных он разделил на мягкотелых (головоногих), таких как осьминог и каракатица; мягкоскорлупных (ракообразных); черепокожих (моллюсков, кроме головоногих); насекомых, куда он включил пауков и других ползающих (многие сегодня насекомыми не считаются). Последнюю группу составляли зоофиты, или «растения-животные». Сюда входили стрекающие и анемоны, которые, по мысли Аристотеля, имели схожие черты и с растениями, и с животными. К слову, структура челюсти морского ежа называется «Аристотелев фонарь» благодаря тонкому наблюдению философа.

Порядок вещей

Зоофиты Аристотеля завораживали. Казалось, они занимают неоднозначную позицию в схеме. Философ пришел к пониманию природы как континуума, линии, соединяющей безжизненные камни со все более сложными растениями и животными – и в конце концов человеческой расой. Именно это ви́дение в последующие века легло в основу Великой цепи бытия – грубой иерархии жизни.

Вероятно, единственное сохранившееся в биологии наследие Аристотеля – прижившееся убеждение в том, что маленькие организмы примитивны и позже естественным образом развиваются в более крупные и совершенные. Мысль о том, что живые существа (включая нас) развиваются в определенном направлении к конечной цели, принадлежала Аристотелю, и она все еще является основополагающей в западной культуре, но не имеет отношения к биологии.

ВЕЛИКАЯ ЦЕПЬ БЫТИЯ

Великая цепь бытия лежала в основе западной философии со времен Аристотеля и приблизительно до 1800 г. Она строилась на трех принципах: во Вселенной существуют все виды жизни, какие можно представить; каждый вид почти неощутимо отличается от своих ближайших сородичей, поэтому все формы жизни постепенно переходят из одного в другой; все виды занимают свое место в Великой цепи, или лестнице, бытия, которая идет вверх от низшей формы жизни до Бога.

Растения Теофраста

Биология Аристотеля главным образом описывала животных, а основателем ботаники, или науки о растениях, стал его ученик, Теофраст.

Теофраст родился на греческом острове Лесбос около 372 г. до н. э. Он учился в Афинах у Платона, затем у Аристотеля, а после смерти учителя возглавил афинскую школу Аристотеля – Ликей. В многотомном труде «Естественная история растений» Теофраст задался целью классифицировать растения по типам – классификации животных ранее создал Аристотель. Теофраст выделял деревья, кустарники, многолетники и травы. Заключительная, девятая книга «Истории» рассматривает лечебные свойства растений и прочие способы их применения. Работа Теофраста оказала огромное влияние на более поздних исследователей лекарственных трав.

Теофраст начал великое дело: он стал придумывать универсальные имена для растений, которые в разных областях Древней Греции называли по-разному.

КИТАЙСКОЕ ТРАВОЛЕЧЕНИЕ

Традиции использовать растения в медицине не одна тысяча лет. Древнейшие китайские рукописи по траволечению датируются примерно 3000 г. до н. э. А практиковалось лечение травами, вероятно, гораздо раньше. Мифический император Шэнь-нун («божественный земледелец»), родившийся, по легендам, в XXVIII в. до н. э., пользуется славой первого травника. Его знания о лекарственных и ядовитых растениях, как считается, легли в основу китайского траволечения. Одно из открытий, которое приписывают Шэнь-нуну, – чай. Император утверждал, что чай является противоядием от 70 видов ядов!

В другой работе, «О причинах растений», Теофраст коснулся их физиологии и рассмотрел различные способы их выращивания. Он описал взаимоотношения между растениями и средой, а также механизмы приспособления к различным условиям, связанным с влажностью, температурой и типом почвы. Ученый пояснял, что растениям нужно «благоприятное место» для процветания. Теофраст умер в возрасте 85 лет. Он просил похоронить его в своем саду и оставил иструкции, как ухаживать за садом после его смерти.

Панспермия

На вопрос, как зародилась жизнь на Земле, до сих пор нет ответа. Одна из гипотез, которые рассматривают всерьез, называется панспермией. Согласно ей, жизнь была занесена на Землю из космоса.

Первым гипотезу панспермии (что в переводе с греческого означает «смесь всяких семян») выдвинул древнегреческий философ Анаксагор, живший в V в. до н. э. и утверждавший, что семена жизни присутствуют всюду во Вселенной. Растения и животные произошли в результате панспермии: они прибыли на Землю на «метеорах» – так называли любой неизвестный источник света на небе. Большинство метеоров древности, вероятно, сегодня назвали бы «падающими звездами». Как мы знаем, это частички пыли, а иногда и более крупные тела, которые проникают в атмосферу Земли. Но в Древней Греции метеорами называли и другие атмосферные явления, и поэтому метеорология – наука об изучении погоды, а не метеоров.

Анаксагор предположил, что жизнь появилась из космоса. Кроме того, он считал, что мир плоский и покоится на воздушной подушке, а когда поднимается ветер, происходят землетрясения.

Пересмотр концепции

Очевидно, что теория панспермии очень стара, и с течением времени она то приобретала, то вновь теряла популярность. Более научно к ней подошли в XIX в. шведские химики Йёнс Якоб Берцелиус и Сванте Аррениус и шотландский физик Уильям Томсон. В 1970-х гг. космологи Фред Хойл и Чандра Викрамасингхе вновь встали на защиту панспермии и предположили даже, что внеземные формы жизни продолжают проникать в атмосферу Земли и вызывают эпидемии заболеваний.

В 2009 г. выдающийся физик Стивен Хокинг поддержал теорию, заявив, что жизнь может проникать на планеты с других планет на метеорах.

Идея о том, что жизнь пришла из космоса, не так уж утопична: бактерии, питающиеся неорганическими веществами, могли сохраниться внутри метеора. Но в таком случае возникает вопрос: где и как зародилась жизнь? Панспермия отсылает к неизвестной и очень далекой части Вселенной, но не дает точного и прямого ответа на этот извечный вопрос.

Анаксагор говорил, что Солнце и звезды – горящие камни, которые находятся на большом расстоянии от Земли. В качестве доказательства он привел метеоритные дожди, когда видны группы падающих звезд.

Преформизм

Преформизм на протяжении многих веков оставался главной теорией о развитии растений и животных. Согласно ей, организм на момент его зарождения – миниатюрная, но полностью сформировавшаяся копия его взрослой формы.

Наиболее раннее исследование эмбрионов приписывают Гиппократу и датируют его III в. до н. э. Врач был убежден, что эмбрион развивается, получая влагу и воздух от матери. Гиппократ также одним из первых выдвинул идею преформизма, предположив, что внутри крошечного свертка, или яйца, находятся полностью сформированные организмы в миниатюре. Соперничающая теория, эпигенез, была предложена Аристотелем, чьи наблюдения за развитием эмбрионов цыплят показали, что в своем развитии организм проходит несколько стадий. Ученый утверждал, что каждая часть тела родителя передается в зачатке эмбриону, а затем эти частички собираются в новое тело.

Гиппократ писал об эмбриологии в своих трудах по акушерству и гинекологии.

Возрождение преформизма

В XV в. голландский биолог Ян Сваммердам возродил преформизм, проведя наблюдения за укутанными в кокон бабочками. Согласно Сваммердаму, взрослые бабочки формируются внутри гусениц. Ученый считал, что внутри насекомого на разных стадиях развития, которые он наблюдал, прячутся и будущие, и предыдущие стадии, от яйца до личинки, куколки и взрослой особи.

ПИФАГОРЕЙЦЫ

Древнегреческий ученый Пифагор, живший около 350 г. до н. э., выдвинул одну из первых теорий, объяснявших схожесть потомства с родителями. Он считал, что семя проходит по телу человека, собирая по пути все его черты, такие как цвет глаз и кожи, строение мышц. Семя – своего рода воплощение самого человека. Пифагор основывал свое ви́дение мира на геометрии и поэтому описал развитие потомка как сочетание «природы», предоставленной отцом, и питания, данного матерью, которые становятся двумя сторонами треугольника, определяя длину третьей стороны – ребенка.

К началу 1700-х гг. преформизм укрепил свои позиции в качестве теории развития эмбриона: в частности, микробиолог Антони ван Левенгук утверждал, что различил внутри половых клеток миниатюрного человека, названного им гомункулом. Ученые поделились на тех, кто верил, что гомункулы находятся в яйцеклетке (овисты), и тех, кто полагал, что они находятся в сперме (спермисты).

Точные наблюдения за развитием эмбриона провели только в XIX в., когда были созданы более совершенные микроскопы. В итоге от преформизма отказались с появлением клеточной теории, а впоследствии новой науки – генетики.

Алхимик пытается раскрыть секрет жизни: он надеется создать ребенка, химически воздействуя на гомункула в лаборатории.

«Естественная история»

Хотя 37-томный труд римского энциклопедиста Плиния Старшего – это любопытное смешение фактов, сплетен и домыслов, «Естественная история» стала первой в мире научной энциклопедией и в течение нескольких веков являлась главным источником информации о животных Европы.

Древнеримский ученый Гай Плиний Секунд, известный, как Плиний Старший (ок. 23–79 гг. н. э.), родился неподалеку от современного города Комо в Италии. Он получил литературное и юридическое образование, а затем сделал военную карьеру, дослужившись до звания командующего кавалерией.

Плиний служил при трех императорах, в правление Нерона был адвокатом, при Веспасиане и Тите – прокуратором. Каким-то образом он все же нашел время сочинить 75 книг, самая знаменитая из которых и единственная сохранившаяся – «Естественная история».

СМЕРТЬ ПЛИНИЯ

Одно из самых подробных из имеющихся описаний извержения Везувия и гибели города Помпеи оставил племянник Плиния, известный как Плиний Младший. По его рассказам, катастрофа застала всех врасплох. Его дядя в тот момент командовал флотом этого региона. Судя по всему, он взял небольшое судно у берега недалеко от Геркуланума, чтобы понаблюдать, что происходит, и задохнулся в облаке пепла.

Плиний в предисловии к своему труду заявляет, что в нем содержится 20 000 фактов. Почти столько же, сколько в этой книге!

Информация истинная и ложная

В 37 томах «Естественной истории» Плиний исследовал многообразие тем: биологию растений и животных, физиологию человека и антропологию, географию и астрономию. Невзирая на то, что многие из его предположений и утверждений позже оказались неверными, книга остается ценным описанием истории и культуры Древнего Рима I в. н. э.

Зоология была затронута в книгах с VII по XI, а ботаника – с XII по XVII. Плиний подробно описал образ жизни и повадки гиппопотама, в частности утверждал, что когда животное становится слишком толстым, оно добровольно натыкается на острую палку, выпускает из себя нужное количество крови и выздоравливает. В работе также содержатся детальные описания единорогов и других мифических созданий. Например, объясняется, что василиск, чудовищный змей, убивает взглядом. Плиний считал мифы правдивыми рассказами и просто пришел к выводу, что свирепые и предположительно волшебные животные встречаются очень редко, или же их сложно поймать.

Животворная сила

Шесть книг эпической поэмы «О природе вещей» (De Rerum Natura) объясняют, ни больше ни меньше, природу, устройство и судьбу Вселенной, происхождение и эволюцию живого.

О Тите Лукреции Каре, авторе поэмы, мы знаем очень немного, только что он жил около I в. до н. э. и следовал учениям философа Эпикура (утверждавшего, что секрет хорошей жизни – в поисках наслаждений).

По книге «О природе вещей» мы можем судить, что Лукреций серьезно занимался философией и наукой, был увлечен наблюдениями за окружающим миром, хорошо разбирался в сельскохозяйственных культурах и садоводстве, а также в рельефе и смене времен года.

Вера Лукреция в ествественные науки очевидна. В своей книге он постоянно отвергает сверхъестественные объяснения природных явлений. Мир, согласно Лукрецию, был создан не божественным образом, а в результате совершенно естественных, произвольно текущих процессов. Но он также писал, что движение жизни контролирует богиня Венера. Это идет вразрез с другими его натуралистическими идеями о живых существах. Но все же концепция животворных сил приобрела поддержку среди более поздних мыслителей, особенно врачей. Жизнь, как говорили, обусловлена наличием пневмы, сверхъестественной животворной силы. Это слово можно перевести как «дыхание», но оно также означало «дух». Пневма отличает живое от неживого, и в течение последующих 1800 лет считалось, что жизненные процессы, текущие благодаря пневме, выходят за рамки массы прочих природных явлений.

Экземпляр «О природе вещей» 1483 г., созданный для папы Сикста IV.

ГАЛЕН

Клавдий Гален (130–210) родился в городе Пергамоне, на территории современной Турции. Он изучал медицину и стал главным врачом в школе гладиаторов, где приобрел опыт в обработке ранений. В начале 160-х гг. он перебрался в Рим, лечил императора Марка Аврелия и его преемников, императоров Коммода (отрицательный персонаж в фильме «Гладиатор») и Септимия Севера. Гален первым начал применять в медицине эксперименты и пытался расширить диапазон знаний, вскрывая животных (вскрытие людей запрещалось законом). По убеждению Галена, пневма, или дыхание жизни, входит в тело через легкие и затем распространяется по крови.

Травники

Многочисленные растения использовались в медицине, не говоря уже об их применении в кулинарии, поэтому неудивительно, что большинство ранних работ о них – это травники, или руководства по определению растений с полезными свойствами.

Диоскорид, врач древнеримской армии, в I в. н. э. описал почти 600 растений в труде «О лекарственных веществах» (Materia Medica). На протяжении 1500 лет он был основным справочником: только перечисленные в нем растения считались по-настоящему ценными. В Средневековье растения изучали мало, люди были склонны полагаться на более ранние работы таких ученых, как Теофраст и Диоскорид. Самым известным натуралистом того периода был Альберт Великий, работавший в XII в. Современники звали его Doctor universalis (Доктор всеобъемлющий) из-за широкой сферы его интересов. Книга Альберта Великого «О растениях» (De Vegetabilis) описывала его личные наблюдения о разнообразии растений и их применении. Ученый стал первым известным нам человеком, выделившим ряд признаков растений. Например, он различал однодольные растения (травы) и двудольные (бобовые), основываясь на структуре стебля. Изобретение печатного станка в середине XV в. привело к волне публикаций книг о растениях. Травники стали все меньше и меньше полагаться на традиционные учения и все больше – на наблюдения растений самих по себе, не как материала для лекарств.

Анатомический рисунок из английского травника XIII в. показывает форму листа и цветка.

«Китаб-и хашиш» («Книга трав») – это арабский перевод XI в. книги «О лекарственных веществах».

Бестиарий

В Средневековье бытовало поверье, особенно в христианской Европе, что природа завещана нам Богом и служит источником инструкций о том, как следует жить людям. Это проповедовали бестиарии – сборники нравоучительных зоологических историй.

Первый известный нам текст бестиария, отражавший подобные учения, – «Физиолог», написанный по-гречески в Александрии около II или III в. н. э. неизвестным автором. Этот свод знаний о животных, явно основанный на христианской традиции, сначала описывает тот или иной аспект поведения животного, а затем объясняет читателю, как следует его интерпретировать с точки зрения христианских верований и практик через наблюдение за миром природы. «Физиолог» был невероятно популярен и переведен на большинство распространенных языков Европы и Передней Азии. Это основной источник средневековых бестиариев.

Единственный способ поймать единорога – приманить его парочкой прекрасных дев.

Виверна, двуногий дракон, знакомится с изумленным слоном.

Как видно, иллюстрации льва, волка и коровы не были анатомически верными.

«Этимологии»

Около VII в. Исидор Сивильский написал энциклопедию «Этимологии», в которой попытался изложить весь имеющийся на тот момент – огромный – спектр знаний, в том числе из области военной науки, астрономии, теологии, земледелия и зоологии. В «Этимологиях» мало что добавлено им самим, многое взято из книг более ранних авторов, таких как Аристотель и Плиний Старший. Как следует из названия книги, Исидор постарался соединить названия предметов (этимологию) с их природой и характерными чертами. Некоторые связи оказались скорее вымышленными, а не научными, например предположение о том, что садовые сони называются по-латыни glis, так как прежде чем впасть в спячку зимой, они толстеют – «пухнут» (лат. gliscere).

Рождение бестиария

Разновидность книги, известная как бестиарий, появилась, когда тексты, подобные «Этимологиям», объединили с «Физиологом». Исидор просто записал то, что почерпнул у более ранних писателей о повадках животных, реальных и выдуманных, но без каких-либо дополнительных нравоучений. Составители бестиариев цитировали Исидора и добавляли подходящий урок, который надлежало усвоить.

Драконы постоянно встречались в народных сказках, часто как олицетворение дурных желаний людей.

Белые птицы, как говорили, лечат больных – забирают с собой болезнь и улетают.

Считалось, что василиски убивают зловонным дыханием.

Сатиры, проказливые духи из древнегреческих мифов, стали прообразом дьявола, каким его принято изображать в Европе.

Бестиарий, или книга зверей, имел много общего с «Физиологом». В нем сохранялся традиционный подход к природе как к инструменту обучения, но был сделан шаг и к описанию разнообразия живого мира самого по себе.

Рукописи бестиариев обычно сопровождались иллюстрациями, хотя эти средневековые изображения животных зачастую далеки от реальности: крайне маловероятно, что художники имели возможность непосредственно познакомиться с существами, которых рисовали. Они полагались на рассказы путешественников и слухи. Например, крокодилы в средневековых бестиариях часто похожи на собак. Иллюстрации в действительности должны были служить «языком визуального общения» для в основном неграмотного населения. Многие из рассказов были уже хорошо известны, а изображение описываемого существа просто напоминало о них.

ЧЕТЫРЕ СУЩЕСТВА

Парацельс, родившийся в Швейцарии в 1493 г., был наиболее влиятельным мыслителем своего времени. Он считал, что мир состоит из четырех элементов: земли, воды, огня и воздуха. Он также предположил, что каждому элементу соответствуют существа, равные людям, но отличные от них, которые время от времени забредают в наш мир. Гномы живут под землей и иногда нападают на горняков. Нимфы обитают в воде и появляются обнаженными на берегу. Саламандры – это гибкие люди огня, они живут в вулканах, но не обжигаются. Наконец, сильфы – великаны, плавающие в воздухе между лесными деревьями. Когда они спускаются, земля вздрагивает, и происходят землетрясения.

Мифические создания

Кроме нереалистично описанных настоящих животных, бестиарии населяли существа, которые не имели к реальности никакого отношения. Единорог, грифон и василиск изображались рядом со страусом (которому пририсовывали копыта) и китом (большой, покрытой чешуей рыбой). Мы не знаем, действительно ли люди того времени верили в существование подобных созданий, хотя, конечно, этого нельзя исключать. Сомневающиеся же, вероятно, не верили и в гиппопотама.

К XIII и XIV вв. появились энциклопедии, которые, хотя и содержали материалы из бестиариев, были снабжены аллегориями.

Благодаря влиянию таких людей, как Альберт Великий и святой Франциск Ассизский, интерес к изучению природы возрастал. Кроме того, путешественники, например Марко Поло, посещали места, где предположительно водятся экзотические создания, и не находили их. С началом эпохи Возрождения европейцы вернулись к более научному подходу к природе и стали искать факты, а не тешить себя фантазиями.

Самозарождение

В древности люди верили, что живые существа возникают из неживого материала. Самозарождение, как считалось, происходит в основном в «угасающей» материи: так личинки появляются в гниющей пище.

Аристотель объяснял самозарождение «жизненным жаром», который присутствует во всем. Эта теория, как и многие другие его идеи, получила широкую поддержку и считалась достоверной следующие 2000 лет. Средневековая церковь поправила понятие жизненного жара Аристотеля, заявив, что за самозарождение ответственны ангелы, которые действуют посредством солнечного света.

Ян Баптист ван Гельмонт (1580–1644), талантливый химик, одним из первых выделил газы из воздуха. Он был убежден, что природу лучше всего познавать через эксперимент. Однако он же опубликовал рецепт получения мышей! Нужно поместить ветошь и несколько семян пшеницы в открытый горшок и подождать 21 день. По истечении этого срока появятся мыши. Там будут, убеждал ван Гельмонт своих читателей, взрослые самки и самцы, способные размножаться и производить еще больше мышей. Идея о самозарождении была на удивление стойкой; даже такие выдающиеся мыслители, как Рене Декарт и Исаак Ньютон, придерживались этой теории. В 1688 г. итальянский натуралист Франческо Реди показал, что личинки выходят из яиц. Если мух держать подальше от мяса, личинки не появятся. Ничего самопроизвольного.

Ян Баптист ван Гельмонт был основоположником пневматической химии. Он показал, что при горении дерева выделяется отравляющий газ, который он назвал «лесным хаосом». Сегодня он известен как углекислый газ.

Хотите познакомиться с предками? Сторонники самозарождения считали, что простые животные появляются из гниющей материи, а затем постепенно развиваются в более сложные организмы, подобные вам.

ГУСИ И МОРСКИЕ УТОЧКИ

В эпоху Средневековья людей поражал один из видов гусей. Птицы появлялись ранней зимой в Ирландии и Шотландии. Но где они гнездились? Цвет оперения гусей был похож на окрас морских уточек – ракообразных, водившихся у побережья. Наверное в этом все дело: у гусей нет гнезд – они произошли от морских уточек. Это была странная точка зрения – Альберт Великий отмахнулся от нее как от «совершенного абсурда», – но убеждение ходило достаточно долго, и странные названия закрепились за обоими видами. Если вам интересно, гуси-казарки мигрируют весной, а гнезда вьют в Арктике.

Семейное торжество. Гуси и раки – сородичи?

Поиск гомологов

О гомологии сначала заговорили математики, и в рамках этой науки термин обозначал эквивалентность между рядами чисел. Использование его в биологии для описания схожих признаков у живых созданий началось с работы Пьера Белона. Гомологичные черты у животных означают, что виды разделяют общее прошлое.

Пьер Белон (1517–1564) одним из первых натуралистов сравнил анатомию разных форм жизни. Ученый родился в Ле-Мане во Франции и изучал медицину в Париже. Белон, одна из значимых фигур в деле возобновления естественноисторических исследований в XVI в., главным образом известен благодаря своему труду «Естественная история птиц» (L’Histoire de la Nature des Oyseaux). Книга опубликована в 1555 г., описывает 200 видов и указывает на схожесть форм и функций скелетов птиц и людей. Таким образом, труд стал первым шагом к созданию сравнительной анатомии. Белон выдвинул идею, что разные животные и растения развиваются по-разному, используя одни и те же анатомические структуры. Позднее биологи, такие как Чарлз Дарвин, предположили, что организмы, у которых в анатомическом строении имеется множество схожих элементов, близко связаны.

В начале XIX в. Жорж Кювье высказал мысль, что набор гомологичных структур, наблюдаемый у родственных животных, имеет причиной их взаимодействия с окружающей средой. Этьен Жоффруа Сент-Илер выступил с альтернативной точкой зрения: все тела животных видоизменяются в соответствии с единым общим планом. Предваряя теорию эволюции Дарвина, британский анатом Ричард Оуэн предположил в 1849 г., что гомологичные особенности скелета свидетельствуют о том, что четвероногие наземные животные произошли от рыб.

Пьер Белон обнаружил, что скелеты людей и скелеты птиц состоят из одного набора костей, который модифицируется для обеспечения разных функций.

Зоология

«История животных» (Historia Animalium) Конрада Геснера, опубликованная в 1558 г., стала первой попыткой собрать всю информацию, известную тогда о животном мире. Это важный труд, обозначивший очертания современной зоологии.

Геснер родился в Цюрихе в Швейцарии. В 1541 г. он получил степень доктора медицины и до конца жизни практиковал в родном городе. Свободное время он посвящал своему хобби – наблюдал за дикой природой и исследовал анатомию животных. Опираясь на классификацию видов Аристотеля, Геснер разделил царство зверей на четыре категории: четвероногие, земноводные, птицы и рыбы (и другие водные животные), и каждой посвятил один из томов своей «Истории». Пятый том, о змеях и скорпионах (включавший также пауков и насекомых), был опубликован в 1587 г., после смерти Геснера.

Конрад Геснер был настоящим эрудитом и славился не только как натуралист, но и как специалист по классическим языкам, ботаник и врач.

От древности к современности

Не полагаясь на слухи и сомнительные факты из работ более ранних авторов, таких как Плиний и Аристотель, Геснер избрал эмпирический подход. Он построил свое исследование на предельно точных описаниях собственных наблюдений и вскрытий. «Исследователь, – говорил Геснер, – должен <…> наблюдать, буквально разбирать на части, затем описывать животных, делая при этом иллюстрации». Это не означает, что ученый полностью игнорировал старые источники. Он признавал вклад Аристотеля и других и приводил множество цитат из Ветхого Завета и средневековых бестиариев, даже включил в книги мифических существ, таких как единорог, феникс и морской змей. Дополнив имеющиеся знания результатами собственного труда, Геснер сумел объединить хроники древности, средневековый мир и более современный подход к науке.

Иллюстрации деталей

«История» изобиловала иллюстрациями – около 1000 раскрашенных от руки гравюр, (многие были выполнены самим Геснером). Но «История животных» – это не просто описание зверей в их природных условиях. Автор затронул современное ему понимание среды обитания, поведения и физиологии, занялся ролью животных в литературе и искусстве. Он даже нашел место, чтобы обсудить кулинарные рецепты и использование животных в медицине.

Геснер был не только одаренным ученым, но и талантливым художником. Гравюра из «Истории животных» изображает лысого ибиса.

Вода и жизнь

Вода – обязательное условие жизни, и это было абсолютно ясно еще тогда, когда человек начал мыслить. Философы, в том числе древние греки, считали воду одной из четырех стихий, формировавших мир. Остальные три – это огонь, земля и воздух. Простой опыт, проведенный в XVII в., дал этой идее научное обоснование. Но является ли вода источником всей жизни?

Аристотель придерживался той точки зрения, что растения получают пищу из почвы. С этой идеей не пытались спорить до XVII в. Фламандский исследователь и врач Ян Баптист ван Гельмонт учился у Парацельса и разделял мнение алхимика о том, что только воздух и вода являются фундаментальными элементами, а огонь и земля – нет. Ван Гельмонт решил опровергнуть утверждение Аристотеля и провел один из самых известных опытов в ранней биологии.

МОНИЗМ

Монизм – это убеждение в том, что в конечном итоге все во Вселенной происходит из одного фундаментального материала. Такого взгляда в основном придерживались древнегреческие философы. Фалес, основатель западной философии, фундаментальным элементом считал воду. Возможно, его выводу не стоит удивляться, учитывая, что вода – единственная субстанция, которую можно наблюдать в твердом, жидком и газообразном состоянии и которая, очевидно, жизненно необходима.

Корни науки

Ван Гельмонт посадил иву весом 2,27 кг в глиняный горшок, где было 90,7 кг почвы. В течение пяти лет он ухаживал за ивой, поливая ее только дождевой или пресной водой. В конце этого периода ученый еще раз взвесил дерево и выяснил, что теперь в нем около 77 кг; он также взвесил почву, обнаружив, что ее масса уменьшилась всего на 56,7 г.

Из этого наблюдения ван Гельмонт заключил, что 74 кг «дерева, коры и корней», даже не считая листьев, которые растение сбрасывало каждую осень, «произошли только от воды». Он списал отрицательную разницу в массе почвы на погрешность эксперимента.

Очевидно, ван Гельмонт не мог знать, что из почвы поступают минеральные вещества для производства растительных белков и других биомолекул. И он ничего не знал о фотосинтезе – процессе, в ходе которого растение накапливает энергию солнечного света, чтобы генерировать новые ткани из углекислого газа и воды, которую берет из почвы. Но он нашел один из фрагментов мозаики. Потребовалось еще 200 лет, чтобы собрать ее целиком.

Ян ван Гельмонт доказал значение воды для жизненных процессов, а кроме того, будучи алхимиком, нашел первое свидетельство существования углекислого газа. Он выделил его из дыма, идущего от горящего дерева, и назвал «лесным хаосом». Но ученый не увидел взаимосвязи между углекислым газом и жизнью.

Кровоснабжение

В 1628 г. Уильям Гарвей опубликовал одну из наиболее важных работ в истории науки. В ней описывалась циркуляция крови по организму и была исправлена ошибка древности.

Гален, влиятельный древнеримский врач, живший во II в., был убежден, что кровь образуется в печени из пищи. Затем кровь поступает в вены, распространяется по всем частям тела и трансформируется в новые ткани или обеспечивает питанием уже существующие. Врач полагал, что запас крови постоянно восполняется, так как тело потребляет ее. Такое ви́дение сохранялось в течение последующих 1500 лет. Гарвей нашел подобный подход несостоятельным, особенно когда подсчитал, что в этом случае человек должен был бы производить 250 литров крови в час! В 1628 г. он опубликовал «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных», описывавшее циркуляцию крови по организму.

У млекопитающих и людей сложная система кровообращения. Первый круг кровообращения несет кровь от сердца по артериям (обозначены серым) и затем обратно по венам (показаны черным). По второму, малому кругу кровь проходит через легкие. Так происходит обмен газами – кислород поступает в кровь, а углекислый газ покидает ее.

ДЫХАНИЕ ЖИЗНИ

Гален учил о пневме как о фундаментальном элементе жизни. «Физическая пневма» располагается в мозге и связана с чувствами и движениями; «жизненная пневма» содержится в сердце, регулируя температуру тела; еще одна «физическая пневма» находится в печени и контролирует питание и обмен веществ.

Согласно ранним представлениям о неврологии, дух течет через пустоты в мозге.

Путь к открытию

До XVII в. считалось, что в организме существуют две отдельные системы для транспортировки крови. Первая состоит из вен, распространяющих насыщенную питательными веществами пурпурную кровь от печени по всему телу. Вторая система несет алую кровь по артериям и распределяет жизненную пневму, которая, как говорили, была дыханием жизни, входящим в тело через легкие.

Уильям Гарвей изучал медицину в Падуанском университете в Италии и занимался у ученого и хирурга Иеронима Фабриция. Фабриций обнаружил, что вены в теле человека имеют одноходовые клапаны, но не мог понять, почему это так. Ученым, объяснившим роль клапанов в движении крови по организму, стал Гарвей.

Получив медицинскую степень, в 1602 г. Гарвей вернулся в Англию. Он имел большой успех и впоследствии стал придворным врачом сначала Якова I, а затем и Карла I. Наряду с медицинской практикой Гарвей продолжал свои исследования. Он был убежденным и увлеченным экспериментатором – проводил вскрытия животных различных видов ради изучения их сердца и кровеносных сосудов.

ИЗУЧЕНИЕ МЫШЦ

Джованни Альфонсо Борелли преподавал в частной анатомической лаборатории на дому, и в числе прочих студентов ее посещал Марчелло Мальпиги. Борелли особенно интересовался структурой и функциями мышц и стал одним из основателей ятромеханики, объяснявшей физиологию на основе математики и физики. Его книга «О движении животных» стала одним из первых исследований по физиологии мышц.

Одноходовые клапаны в венах, рассуждал Гарвей, означают, что кровь по этим сосудам может течь только к сердцу, а не от него. Это был важный шаг к пониманию кровоснабжения. Врач показал, что если перекрыть артерию, ее часть, ближайшая к сердцу, заполнится кровью и начнет расширяться. Если сделать то же самое с веной, набухнет часть, расположенная дальше от сердца.

Кроме того, Гарвей вычислил, что объем крови, проходящей через сердце в течение дня, превышает по весу объем пищи, ежедневно потребляемый организмом. По его оценкам, объем крови, который сердце перекачивает за час, в три раза больше веса человека. Гарвею казалось невероятным, чтобы запас крови восполнялся. Вероятно, кровь одна и та же и идет непрекращающимся потоком через весь организм, от сердца по артериям, затем по венам и обратно к сердцу.

Когда Гарвей опубликовал результаты исследований, он столкнулся с насмешками и издевками, потому что осмелился подвергнуть сомнению учение великого Галена, которому врачи следовали веками. Но к концу жизни Гарвея его идеи получили широкое признание. Единственным пробелом в его аргументации было то, что он не смог объяснить, как кровь попадает из артерий в вены. Гарвей верно предположил, что для этого существуют сосуды, которые слишком мелки, невидимы невооруженным глазом. Всего через четыре года после смерти ученого его правоту подтвердил Марчелло Мальпиги, обнаруживший капилляры при помощи нового изобретения – микроскопа.

Открытие Гарвея основывалось на аккуратных и продуманных экспериментах и вскрытиях животных и людей. Здесь ученый исследует тело Томаса Парра – мужчины, который заявлял перед смертью, что ему 152 года. В результате Гарвей заключил, что Парру не более 70 лет.

Метаболизм

Метаболизм – это сумма всех химических реакций, необходимых для поддержания жизни. Термин происходит от греческого слова μεταβολή, означающего «превращение». Изучение метаболизма началось 400 лет назад с долгого и зловонного опыта Санторио Санторио.

Санторио Санторио, которого запомнили только по первому его имени (хотя разницы и нет), стал врачом в 21 год. Он практиковал в Венеции, где общался с великим физиком Галилео Галилеем. Самый знаменитый опыт Санторио был посвящен весу тела. Врач спроектировал передвижную платформу, подвешенную к рычагу для больших весов. Сидя на платформе, Санторио принимал пищу и записывал изменения своего веса. Если он оставался на платформе, он видел, как его вес постепенно вновь снижался. Врач взвешивал свои твердые и жидкие отходы и выяснил, что на потерю веса они вовсе не влияют. После 30 лет непрерывных опытов Санторио подтвердил, что общий вес его видимых испражнений меньше объема вещества, которое он поглотил. Он пришел к выводу, что различия возникают из-за «невидимого испарения».

Санторио садится на стул для взвешивания, чтобы с наслаждением поесть. Он прославился, сделав 32 000 замеров – по три в день в течение 30 лет.

ТЕРМОСКОП

Санторио считается изобретателем термоскопа, хотя некоторые утверждают, что придумал его Галилео Галилей. Термоскоп – это простое устройство, показывающее изменение температуры. Вода помещалась в стеклянную трубку и, расширяясь или сжимаясь при перепадах температуры, поднималась или опускалась. Мы знаем, что Санторио первым дополнил термоскоп шкалой с цифрами, сделав из него более полезный инструмент.

Построить и сломать

Изначально о неощутимом, или невыявляемом, испарении говорил Гален, но Санторио первым попытался измерить его. Его книга по данному предмету, «О медицине равновесия», принесла ему славу и стала первым системным исследованием метаболизма. Эксперимент Санторио доказывает, что пища обеспечивает тело энергией, хотя врач не обладал современными знаниями. Энергия превращает содержимое пищи в новые ткани и поддерживает жизненные процессы. В ХХ в. биохимики показали, что метаболизм – это последовательность реакций, и в каждой клетке под чутким контролем течет несколько тысяч таких реакций. Итогом, говоря общо, являются два процесса. Катаболизм расщепляет вещество, возможно, чтобы высвободить накопленную энергию или забрать ее из клетки. Анаболизм выстраивает новый материал и нужен для роста и поддержания жизнедеятельности.

Санторио попытался объяснить работу тела чисто механически. Он утверждал, что тело функционирует как часы, и характер работы зависит от положения и формы соединяющихся частей.

Эмбрионы

Эмбриология – это ответвление биологии, изучающее раннее развитие организма. До XVIII в. преобладала точка зрения, что эмбрион – полностью сформированный организм в миниатюре. Научный подход развенчал эту идею.

Термин «эмбрион» главным образом обозначает клубок делящихся клеток. Термин применяется к стадии развития организмов, начинающейся с момента, когда клетки проникают в стенки матки, и до конца восьмой недели после зачатия. После этого ребенок, обретший более определенные очертания, называется плодом.

Есть несколько претендентов на звание отца эмбриологии, и в их числе Марчелло Мальпиги, Каспар Фридрих Вольф, Аристотель и даже Леонардо да Винчи. Еще один человек, на него претендующий, – Иероним Фабриций. Он учился в Падуанском университете у великого анатома Габриэля Фаллопия (также известного как Габриэле Фаллопио), а в 1562 г. сменил его на должности профессора хирургии и анатомии в университете. Здесь он преподавал Уильяму Гарвею, открывателю кровообращения. Описание клапанов в венах, данное Фабрицием, указало Гарвею верное направление.

Иероним Фабриций, также известный как Джироламо Фабрицио, написал 16 книг по анатомии и развитию.

Внутреннее развитие

Именно работа Фабриция «О формировании плода» (De Formato Foetu), опубликованная в 1600 г., подготовила почву для сравнительной эмбриологии. В книге ученый изложил свои наблюдения о развитии плода у некоторых видов, в том числе у людей, и впервые детально описал структуру плаценты. Кроме того, Фабриций подтолкнул Гарвея к изучению эмбриологии. Исследуя стадо спаривающихся оленей, Гарвей обнаружил указания на развитие эмбриона в матке только через шесть–семь недель после спаривания и был убежден, что в действительности зачатие происходит еще где-то в теле. Путь оплодотворенной яйцеклетки по фаллопиевым трубам к матке проследили лишь спустя столетие.

Рисунок из книги Фабриция 1621 г. показывает стадии развития цыпленка внутри яйца.

ГАБРИЭЛЬ ФАЛЛОПИЙ

Фаллопий был анатомом-новатором и известен своим талантом вскрывать человеческие тела. Главным образом его интересовала анатомия головы, но в медицинские справочники он попал благодаря своим исследованиям устройства репродуктивных органов человека. Ученый описал два тонких канала, проводящих, как позже выяснилось, оплодотворенные яйцеклетки из яичников к матке. Сегодня они носят его имя: фаллопиевы трубы.

Клетка

Клетка – это кирпичик жизни. Все живые существа состоят как минимум из одной клетки. И открыл ее один из самых недооцененных исследователей.

Роберт Гук был гением от науки. Его вклад в самые разнообразные дисциплины крайне важен – он многое сделал не только для биологии, но и для химии, физики, астрономии, геологии и архитектуры. И все же, как ни удивительно, мы даже не знаем, как выглядел этот великий ученый. Ни одного портрета Гука не сохранилось.

Будучи студентом Оксфордского университета, Гук произвел впечатление на выдающихся профессоров естествознания своим талантом проектировать инструменты и ставить опыты. В результате он стал помощником химика Роберта Бойла. В 1662 г. Гука назначили куратором экспериментов во вновь созданном Лондонском королевском обществе, ему предписывалось демонстрировать опыты на собраниях академиков.

Гук завоевал себе место в истории биологии, выпустив книгу «Микрография». Она была опубликована в 1665 г. и фиксировала наблюдения, сделанные ученым с помощью составного микроскопа собственной конструкции. С его помощью Гук исследовал перья птиц, волосы, насекомых и другие организмы. Описания сопровождали изысканные иллюстрации, показывавшие, что Гук был не только первоклассным ученым, но и талантливым художником.

Через микроскоп Гук увидел структуры в кусочке пробкового дерева. Он назвал эти ячейки «клетками».

Самое известное наблюдение Гук сделал, исследуя тонкие срезы пробки. Он увидел, что они были «пористыми, похожими на пчелиные соты», и назвал эти поры «клетками», так как они напомнили ученому кельи, или комнаты монахов, в монастыре. То, что он обнаружил, было стенками клеток в ткани пробки. Гук также сообщил, что замечал похожие структуры в других растениях. Клетки, увиденные Гуком, были пустыми – он думал, что они задействованы в транспортировке жидкостей в живых растениях. Судя по всему, ученый не понял, что открытые им структуры были базовыми единицами всех живых организмов. В 1678 г., когда Антони ван Левенгук сообщил Лондонскому королевскому обществу об увиденных им «зверьках», Гука попросили подтвердить наблюдения голландца, и он успешно это сделал, чем помог Левенгуку получить признание. Сегодня мы знаем, что «зверьками» были одноклеточные простейшие и, возможно, бактерии.

МИКРОСКОП ГУКА

Микроскопы Гука изготавливал лондонский мастер Кристофер Кок, но сам Гук участвовал в их проектировании. У микроскопа были отдельные тубусы фокусировки и шаровой шарнир, чтобы регулировать обзор. Линзы, которые использовались в микроскопе Гука, к сожалению, были плохого качества. Ученый попытался исправить это, но изображение получалось слишком темным. Поэтому он нашел способ направить на свои образцы луч света. Чтобы добиться яркости, он пропускал свет от масляной лампы через наполненный водой сосуд.

Копия составного микроскопа и системы освещения Гука.

Палеонтология

Палеонтология изучает историю жизни на Земле. Она основывается на исследовании окаменелостей – останков когда-то живших существ, которые превратились в минералы или отпечатались в камне.

В попытках объяснить существование окаменелостей выдвигались разные предположения. По одной из теорий, восходящей к наследию Аристотеля, окаменелости формировались и росли в Земле благодаря «формирующей силе», которая создавала камни, похожие на живые существа. Леонардо да Винчи отмахнулся от подобной теории и заявил, что «такое мнение может исходить только от ума не слишком разумного». В качестве разгадки того феномена, что морские раковины находят в горах, он предложил гипотезу о том, что ракушки были покрыты землей еще до того, как оказались наверху, и что там, где сейчас суша, когда-то был океан. Да Винчи не публиковал свои мысли, а заносил их в личные дневники в начале XVI в. Только 150 лет спустя его взгляды независимо друг от друга пересмотрели Стено и Роберт Гук. Последний изучал окаменелости и геологию. Он стал первым человеком, поместившим окаменелости под микроскоп. Гук обнаружил сходство в строении ископаемых дерева и ракушек и живого дерева и раковин живых моллюсков. Ученый думал, что органический материал можно превратить в камень, погрузив в воду, насыщенную растворенными в ней минералами. Гук продолжил сравнивать ископаемые и живые организмы, заключив, что многие окаменелости представляют собой создания, которых больше не существует на Земле. Это был очень спорный взгляд в то время, так как идея вымирания противоречила религиозным верованиям.

ОТКРЫТИЯ СТЕНО

В 1666 г. датский анатом Нильс Стенсен, известный также как Николас Стено, взялся за вскрытие акулы. Его сразу поразило сходство ее зубов с треугольными камешками, которые называли «каменными языками». Стено заявил, что «каменные языки» на самом деле являются зубами когда-то живших акул, и утверждал, что первоначальные ткани акулы со временем заменили минералы. Стено предположил, что окаменелости – это срезы жизни различных периодов в истории Земли.

Работа Стено, посвященная ископаемым зубам акулы, положила начало палеонтологии.

«Зверьки»

Голландский торговец тканями Антони ван Левенгук решил рассмотреть свои тонкие материи поближе, а в результате основал новый отдел биологии. В процессе он обнаружил, что в природе существует гораздо больше, чем бросается в глаза.

В 1650-х гг. изобретательность Левенгука позволила ему создать маленькие высококачественные линзы, обеспечивающие увеличение в 250 раз и более. Микроскопы, сконструированые им, не были похожи на бочку – единственная линза устанавливалась между двумя небольшими металлическими пластинами, которые подносили близко к глазу, а регулируемымый стержень сзади держал образцы. С помощью этих инструментов Левенгук начал изучать разнообразные материалы, например воду из пруда, и с изумлением обнаружил мир крошечных животных (он назвал их зверьками), которые в ней плавали. Хотя он не был профессиональным ученым, он связался с Лондонским королевским обществом – отправил первое из более чем 150 писем, – описывая и иллюстрируя свои открытия. Левенгук был единственным, кто в то время вел подобные исследования, так как никто не смог сделать столь мощные линзы, а сам он держал свой метод в секрете.

Антони ван Левенгук (1632–1723) считается основателем микробиологии. Однако в более поздние свои годы он нашел новое призвание, став инспектором виноделен в Делфте.

Новые миры

Ученым потребовались сотни лет, чтобы разобраться, к чему же Левенгук привлек их внимание. Он увидел одноклеточных животных (тех, кого мы сегодня называем простейшими), мелких многоклеточных, таких как коловратки, крошечные растения (водоросли), и даже бактерии. Он также изучал жидкости тела и первым наблюдал сперматозоиды, находящиеся в мужской сперме. Это открытие вызвало споры и пересуды – годами многие ученые верили, что сперматозоиды скорее паразиты, а не половые клетки, как нам сегодня известно.

Примеры «зверьков», которых впервые наблюдал Левенгук.

Метаморфозы

Превращение, или метаморфоза, гусеницы в бабочку или головастика в лягушку всегда вызывала любопытство. С конца 1600-х гг. люди начали изучать эти примечательные изменения с научной точки зрения.

Голландский энтомолог Ян Сваммердам провел первые важные исследования предмета. В то время многие люди думали, что в результате метаморфозы один вид животного буквально превращается в совершенно другой. Сваммердам доказал, что это не так, продемонстрировав, что внутри личинок насекомых, таких как шелкопряд, уже можно различить формирующиеся крылья. Работу Сваммердама серьезно дополнил французский ученый Рене Реомюр, в 1734 г. опубликовавший «Мемуары по естественной истории насекомых».

Как это происходит?

Первые исследования были в основном анатомическими, но позже внимание сосредоточили непосредственно на механизмах наблюдаемых изменений. Было отмечено, что органы личинки насекомого при метаморфозах разрушаются, и что тело взрослой особи вновь вырастает из маленьких групп клеток. После открытия гормонов в начале ХХ в. стало известно, что метаморфозы происходят под действием гормонов. У лягушек и жаб изменения от головастика к взрослой особи провоцирует тиреоидный гормон. У насекомых же гормон называется ювенильным и циркулирует в крови личинки. Когда ювенильный гормон перестает поступать, начинается превращение.

Иллюстрация Рене де Реомюра, показывающая развитие личинки овода, оленьего паразита.

ШЕЛКОВИЧНЫЙ ЧЕРВЬ

Несмотря на свое название, шелковичный червь вовсе не червяк, а гусеница мотылька. Жизненный цикл шелковичного червя – пример «полной метаморфозы», проходящей в четыре этапа: яйцо, личинка, куколка (стадия покоя, когда формируются ткани взрослой особи) и взрослая особь (или имаго). Личинка, готовясь к окукливанию, плетет кокон из тонких нитей шелка. Это волокно собирают и превращают в тонкую ткань.

И почему?

Метаморфозы дают преимущества животным, организмы которых затрагивают. Происходит разделение труда – гусеница ест, а бабочка отдает всю энергию на размножение. Кроме того, метаморфозы сводят на нет борьбу за ресурсы между взрослыми особями и их потомством. Головастик кормится в воде, а лягушка ищет пищу на суше. В случае с морскими созданиями, например моллюсками, кораллами и морскими звездами, взрослые особи зачастую передвигаются медленно или вообще всю жизнь остаются на одном месте. Эти животные выпускают тысячи крошечных личинок, которые перемещаются вместе с планктоном, и это способствует распространению вида.

Ткани растений

Долгое время познания в анатомии растений отставали от познаний в анатомии животных. Многие считали, что растения ничем не примечательны. Неемия Грю решил доказать, что они неправы.

В 1600-х гг. микроскопы начали менять биологию, и Грю использовал их в полной мере для тщательного изучения тканей растений.

Он опубликовал несколько работ и статей, собранных вместе в труде «Анатомия растений» (1682). Прекрасно иллюстрированная книга впервые показала, насколько сложное у растений внутреннее строение. Это был новый мир, ждущий первооткрывателей. Грю хотел вознамерился сделать результаты своих исследований понятными читателям, насколько это было возможно. А потому, чтобы показать, как соединяются различные ткани растений, использовал то, что мы бы сегодня назвали 3D-чертежами.

Современное изображение растения в разрезе под микроскопом, подкрашенное, чтобы показать отдельные ткани, растущие концентрическими кольцами.

В 1720-х гг. английский священник Стивен Гейлс занялся функциями структур растения, обнаруженных Грю. На иллюстрации в книге «Статика растений» Гейлс показал прохождение жидкости по внешнему участку ствола дерева.

От строения к функции

В этом и во многом другом Грю опередил свое время. Чтобы в полной мере разобраться с описанными им функциями строения, требовалось развитие других наук. Хотя слово «клетка» ввел в оборот современник ученого Роберт Гук, описывая увиденное под микроскопом устройство растений, речь шла только о полых клетках пробкового дерева, и понимания, что клетка – фундаментальный кирпичик в строении всех живых существ, не было еще 150 лет. Сам Грю представлял ткани растений скорее как переплетающиеся волокна, словно в простых тканях. Ученый принял во внимание поддерживающую функцию более прочных древесных тканей (их он сравнивал с костями животных) и доказал, что существуют трубки, тянующиеся вниз по стеблям растений (сегодня их называют сосудами ксилемы). Но только в XIX в. появились работы, полностью объясняющие функции тканей растений – в частности тех, что распределяют вещества: ксилема проводит воду и минералы от корней, а флоэма проводит другие субстанции, в том числе сахара, созданные в ходе фотосинтеза, от листьев.

Иллюстрация из «Анатомии растений» Грю, изображающая ветвь в разрезе.

Анатомия цветка

В чем назначение цветов? Быть может, они просто были созданы только для нашего удовольствия? В конце XVII в. вновь возник интерес к их научному исследованию.

Понимание того, что цветы имеют отношение к репродукции, существовало всегда, так как из них получаются семена и фрукты. Но как в точности они устроены с точки зрения анатомии? Ранние анатомы растений, такие как Неемия Грю, размышляли о разделении полов у представителей флоры и предположили, что пыльца эквивалентна мужскому семени у животных. Экспериментально же доказать это попытался современник Грю, немец Рудольф Камерариус, опубликовавший результаты штудий в 1694 г. в трактате «О полах у растений». Например, Камерариус взял виды, где каждый цветок был либо мужским, либо женским (как правило, они являются гермафродитами, то есть совмещают оба пола) и показал, что женские цветки не производят семена, если не находятся рядом с мужскими цветками, производящими пыльцу.

Типичный цветок – это орган для отправки и получения пыльцы, мужских половых клеток растения. После завершения процесса из цветка формируются семя и плод.

ОПЫЛЕНИЕ

Многие цветы привлекают пчел, чтобы те помогли перенести пыльцу с одного цветка на другой. Часть пыльцы, которую переносят пчелы, стряхивается на липкий кончик (рыльце) высокой женской части цветка. Пыльцевое зерно падает внутрь и оплодотворяет семязачаток внизу. Пчела собирает пыльцу и нектар и относит в улей, чтобы превратить в мед.

Базовая анатомия цветка-гермафродита (одновременно и мужского, и женского) показана выше. Более поздние исследователи раскрыли новые подробности. Пыльцу производят пыльники, расположенные наверху высоких образований, которые называются тычинками. Пыльца переносится на липкое рыльце, откуда попадает в семязачаток, женскую клетку, расположенную у основания. Цветные лепестки привлекают насекомых и других животных, и те переносят пыльцу с одного цветка на другой. Специальные железы, производящие нектар, также привлекают насекомых. А ветроопыляемые растения, например многие виды деревьев, не нуждаются в ярких лепестках. Они производят массу пыльцы, которую далеко разносит ветер, и по крайней мере часть ее благополучно попадает на цветки соседних деревьев.

Схематичные изображения цветков из книги о цветах Новой Зеландии, опубликованной в 1888 г.

Классификация

В биологии царил бы хаос, если бы ученые не были уверены, что говорят об одном и том же животном или растении. Шведский натуралист Карл Линней придумал метод распределения живых существ по категориям, который используется и сегодня.

Линней с детства интересовался ботаникой. В университете он изучал медицину, в основе которой лежало умение выращивать разные лечебные травы и применять их во врачебной практике. Для некоторых трав существовали «народные» названия – не всегда точные, – тогда как книги по ботанике содержали громоздкие описания на латыни. Линней понял, что нужна система коротких и точных названий. Он предложил давать родственным видам (или типам) одно общее латинское имя рода, а для каждого подвида добавлять прилагательное. Это называется биноминальной номенклатурой, или двусловным наименованием. Например, род больших кошек называется Panthera. Лев – это Panthera leo, а тигр – Panthera tigris. Для каждого вновь открытого вида и каждого нового наименования предполагалось давать полное описание и держать образец в доказательство подлинности.

БИНОМИНАЛЬНАЯ НОМЕНКЛАТУРА

Эффективную систему названий из двух слов для животных и растений первым представил Линней. Но известно, что рационализировать номенклатуру подобным образом пытались и раньше. Швейцарский ботаник Каспар Баугин (1560–1624) описал многие растения краткими латинскими фразами, иногда всего из двух слов, и Линней некоторыми из них воспользовался. Однако считатся, что Баугин все-таки давал описания, а не настоящие названия.

Хотя Линней начал работать над классификацией в 1730-х гг., ему потребовались годы, чтобы довести ее до совершенства, так как он был и учителем, и натуралистом, и автором книг. Он представил законченную систему именований для растений только в 1753 г. – в работе «Виды растений», и в 1758 г. для животных – в 10-м переиздании «Системы природы».

Иллюстрации разных отрядов птиц из «Системы природы».

Масштаб перемен

Биноминальная система Линнея оказалась столь эффективной, что быстро приобрела популярность. Ученый хотел классифицировать больше животных и растений, чтобы организовать их в каталоге и отразить их природное родство. Эти две цели не всегда совпадают. Растения Линней решил организовать искусственно, посчитав число половых органов (тычинок и пестиков) в цветках. В результате в некоторых случаях в одной группе оказались совсем не родственные растения. Ученый понимал, что однажды станет возможной более логичная систематизация, но он не пытался создать генетическое описание организмов. Серьезное преимущество системы Линнея в том, что она продолжает работать в контексте эволюции. Кроме того, ее можно бесконечно адаптировать по мере обнаружения новых видов, хотя зачастую приходится разбивать первоначальный род. В целом похоже, что биноминальная номенклатура выдержала проверку временем.

Общая классификация животных Линнея из первого издания его книги «Система природы» (лат. Systema Naturae).

Микология

Кроме совершенствования в отличении съедобных грибов от несъедобных и ядовитых, микология – наука о грибах – до недавнего времени развивалась мало.

Переломными для понимания этих загадочных форм жизни стали исследования итальянского ботаника Пьера Антонио Микели (1679–1737). Во времена Микели существовало много суеверий о грибах, в том числе то, что они появлялись самопроизвольно в гниющем мясе и растениях. Микели занялся этим вопросом и в книге «О новых видах растений» (Nova Plantarum Genera) описал не только сотни видов, но и свои опыты, доказывающие, что грибы размножаются крошечными спорами, из которых вырастает новое поколение. (Он вырастил споры на кусочках дыни!) Однако прошло еще много времени, прежде чем грибы начали изучать серьезно. Для удобства их первоначально отнесли к растениям, хотя они совсем не похожи. В грибах не происходит фотосинтез: они впитывают питательные вещества из среды, каковой может оказаться и разлагающееся растение, и организм животного. Плодовое тело гриба состоит из сети нитей, гиф, обычно скрытых от взгляда. Сегодня выделяют отдельное царство живой природы – царство грибов. В действительности они ближе к животным, чем к растениям!

Гриб – это плодовое тело, состоящее из плотно переплетенных гиф. Здесь изображен ядовитый мухомор. Он выпускает споры тысячами из пластинок под шляпкой.

Селекционное разведение

В XVIII в. делали серьезные попытки развивать сельское хозяйство. В числе достижений – создание новых улучшенных пород животных и растений.

Люди всегда оказывали влияние на качества животных, которых одомашнивали. Поначалу это происходило неосознанно, но даже в древности люди прилагали целенаправленные усилия для разведения и улучшения некоторых животных, таких как ослы и охотничьи собаки. В 1700-е гг. в Европе были веком рационализма, и вера в рациональность распространилась и на сельское хозяйство. Предпринимались скоординированные попытки улучшить сельскохозяйственных животных. Самым знаменитым «улучшателем» того времени был английский агроном Роберт Бакуэлль. Отобрав особей для разведения и скрестив их с другими породами, Бакуэлль создал новые породы рогатого скота, овец и лошадей. Он также очень выгодно сдавал внаем призовых быков и баранов другим фермерам. Свои методы он держал в секрете, но, вероятно, использовал сочетание близкородственного и неродственного скрещивания. Говоря современным языком, близкородственное скрещивание – это способ зафиксировать благоприятные гены в популяции, чтобы те достались всему потомству. С другой стороны, такой подход может привести к генетическому ослаблению. Бакуэлль и его современники в общих чертах это понимали, хотя подробно процесс был описан только в ХХ в. Селекционное разведение животных и растений чрезвычайно важно, поскольку мировая популяция растет: чтобы накормить мир, ученые стремятся получить новые виды с большей плодовитостью и лучшей сопротивляемостью заболеваниям.

Роберт Бакуэлль создал новые породы животных, в том числе овцу породы «лейстер» и корову породы «лонгхорн».

Ботанические сады

В Средневековье для выращивания лекарственных растений создавались «аптекарские сады». Они и стали прообразом ботанических садов, где выращивали и изучали растения всех возможных видов.

В XVIII в. ботаникой занялись значительно усерднее, отчасти из желания систематизировать множество экзотических видов, которые обнаруживались в разрастающихся за счет иноземных территорий империях, и найти им применение. Сады лекарственных растений, особенно Королевский сад в Париже и Королевский ботанический сад в Эдинбурге, взяли на себя дополнительные функции и стали проводить научные исследования.

Комлекс ботанических садов, который сегодня считается крупнейшим в мире, появился в результате слияния в 1772 г. двух прилегающих друг к другу королевских садов в Кью на окраинах Лондона. За их обустройством наблюдал ведущий ботаник сэр Джозеф Бэнкс, собиравший растения во время экспедиций капитана Кука в южных морях. Сады Кью официально стали доступными для широкой общественности в 1840 г. Там построили великолепные оранжереи и расширили площади для научных исследований, в том числе для коллекции высушенных растений – гербария, – которой предстояло стать крупнейшей в мире.

КОРОЛЕВСКИЙ САД

Французский натуралист XVIII в. Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон, возглавлял Королевский сад в Париже с 1739 г. до своей смерти в 1788 г. Сам Бюффон был в большей степени зоологом, но привлекал талантливых ботаников и превратил бывшие аптекарские и декоративные огороды в настоящий ботанический сад, игравший ведущую роль в классификации растений. После Французской революции его переименовали в Сад растений.

ОРАНЖЕРЕЯ

Большие оранжереи проекта «Эдем» в Корнуоле, Англия, – это связанные друг с другом геодезические куполы, не имеющие внутренних опор. Они покрыты не стеклом, а специальными пластиковыми секциями, легкими и прочными, которые к тому же очищаются самостоятельно. Оранжереи защищают более нежные растения от ветра и непогоды, а также поддерживают внутри высокую температуру воздуха, так как прозрачные крыши пропускают энергию солнечного света, но сохраняют тепло.

Вид на огромный Темперейт-хаус в Королевских ботанических садах Кью, открывшийся в 1863 г. Это крупнейшая в мире оранжерея викторианской эпохи.

Зачем нужны ботанические сады?

Кроме того, что это приятное место для прогулок, у современных ботанических садов множество функций. Проще всего заметить, что все растения подписаны, и каждый посетитель может выяснить, чем именно любуется. Сады мирового класса, такие как в Кью и Нью-Йорке, проводят различные обучающие мепроприятия, участвуют в сохранении видов и занимаются исследованиями. В мире все еще открывают новые виды растений, особенно в тропиках, и их нужно классифицировать. Специалисты работают над составлением списков растений конкретного региона. Все большую важность приобретают банки семян, консервирующие семена растений в качестве природоохранной меры. Самый крупный из них расположен на арктическом острове Шпицберген: холодный климат облегчает сохранение биологического материала.

Респирация

Зачем нужно дыхание? Только в конце XVII в. ученые начали находить ответы на этот важный вопрос. Их работа в итоге помогла подробно описать функционирование живых существ.

Изначально «респирация» – еще одно слово, обозначающее дыхание. Очевидно, что мы умрем, если не сможем дышать. Но почему? О смысле и значении дыхания люди размышляли с древних времен, но нельзя сказать, что им удалось сделать важные выводы. Согласно распространенному предположению, дыхание охлаждает тело. Далее пришлось подождать ответа на другой важный вопрос: что такое воздух? К XVII в. ученые знали, что у воздуха есть вес, но полагали, что воздух – однородная субстанция, а не смесь химических элементов, как мы знаем сегодня. Его роль в химических реакциях не осознавали совсем.

Огромная двояковыпуклая линза Лавуазье, которую химик использовал в некоторых своих экспериментах. Лучи солнца проходят через линзу, фокусируются и дают большой жар, способный поджечь даже алмаз. Так Лавуазье показал, что при горении чистого уголя выделяется углекислый газ – то же вещество, которое синтезируется при дыхании.

«Отец» химии

Французский ученый Антуан Лавуазье интересовался химией с детства. У него рано проявился талант упорядочивать спутанные мысли, и в итоге он поменял мировой подход к химии, придумав более логичную номенклатуру для своих новых открытий. Например, то, что мы называем соединения с кислородом оксидами, – заслуга Лавуазье и его коллег. Его жена Мари-Анна работала вместе с ним, делая заметки о его экспериментах. Внушительное богатство Лавуазье, заработанное на должности сборщика налогов для французского короля, позволяло ему вкладывать средства в создание сложного оборудования. После Французской революции ученого казнили на гильотине как предателя.

Воздух, замечательно пригодный для дыхания

В конце концов ученые начали понимать, что существут разные виды «воздуха» с разными качествами. В начале 1770-х гг. газ, который мы сегодня называем кислородом, открыли независимо друг от друга англичанин Джозеф Пристли и швед Карл Вильгельм Шееле. Пристли обнаружил, что кислород поддерживает жизнь лучше обычного воздуха, но ни один из ученых не осознавал, что открыт новый химический элемент. Пристли называл его «бесфлогистонным», или «исключительно пригодным для дыхания», воздухом. Эксперименты показали, что кислород составляет около пятой части обычного воздуха. Однако раскрыть в полной мере его значение предстояло французу Антуану Лавуазье в 1770–1780-х гг.

ТЕОРИЯ ФЛОГИСТОНА

Когда что-то горит, совсем не очевидно, что пламя питается воздухом. Больше похоже, что в воздух что-то попадает. На этом строилась тщательно разработанная – но неверная – теория, доминировавшая в химии XVIII в. Согласно ей, при горении выделяется вещество под названием флогистон. Сложность заключалась в том, что если нагреть много металлов, они превратятся в то, что мы сегодня называем окисями металлов. А окиси будут весить больше, и следовательно, флогистон должен был бы весить меньше, чем ничего! Опыты Лавуазье с кислородом позволили отбросить эту теорию за ненадобностью.

Лавуазье назвал новый газ кислородом и показал, что горение – это главным образом реакция между кислородом и топливом. Он также стал первым, кто составил список химических элементов в современном смысле, туда он включил и недавно открытый кислород. В некоторых опытах ученый сопоставлял температуру реакции и объем кислорода, потребляемый горящими веществами и вдыхаемый животными. Он пришел к уверенному выводу, что «дыхание – это разновидность горения». Эксперименты и теории Лавуазье произвели революцию в химии. И в биологии тоже.

Более поздние достижения

Работа Лавуазье подняла больше вопросов, чем дала ответов. Где-то в теле происходит медленное «горение». Но где и почему? Лавуазье полагал, что в легких. Открытия XIX в. начали прояснять картину. Было доказано, что кислород поступает в легкие и затем по артериям распространяется по всему телу вместе с кровяным пигментом гемоглобином. Лишенная кислорода и насыщенная углекислым газом кровь возвращается в легкие, и этот газ выводится наружу. Гораздо позже удалось отследить, какие именно химические реакции, вплоть до уровня клеток, задействованы в этом процессе, и слово «дыхание» получило новое значение. Теперь оно относилось ко всем реакциям в клетке, в ходе которых расщепляются молекулы пищи и выделяется энергия. Обычно эти процессы текут с участием кислорода, но не всегда. Дрожжи, например, получают энергию благодаря анаэробному дыханию, то есть не нуждаются в воздухе.

Один из опытов Лавуазье, посвященный дыханию человека. Слева: Лавуазье разговаривает со своей женой Мари-Анной, которая делает записи. Рисунок сделан самой Мари-Анной. Подопытный выдыхает меньше кислорода, чем вдыхает; недостающий объем заменен углекислым газом. В этом эксперименте химик надеялся измерить количество жара, производимого подопытным в процессе дыхания.

Фотосинтез

Растения живут и цветут вокруг нас, но они не едят, не двигаются и вроде бы ничего особенного не делают. Как же они существуют? Голландский врач, живший в Англии, в 1779 г. приблизился к решению загадки.

В течение многих веков люди не знали, откуда растения берут материю для создания своих тканей, хотя самой популярной идеей было, что она берется из земли. Затем, в XVII в., Ян Баптист ван Гельмонт показал, что даже после того, как он пять лет выращивал дерево в горшке, вес почвы почти не изменился. Ван Гельмонт заключил, что растение создает все свои ткани из воды, – предположение отчасти верное. Только в конце XVIII в. пришло понимание, что растения в действительности получают большинство веществ из воздуха.

РЕАКЦИЯ ТЕМНОВОЙ ФАЗЫ

Реакция темновой фазы в фотосинтезе получила такое название, потому что для нее не нужен свет. Это серия химических преобразований, которые контролирует фермент РуБисКО (от рибулозо-1,5-бифосфаткарбоксилаза/оксигеназа). Во время этой фазы углекислый газ из воздуха соединяется с водородом и энергией, полученными от реакции светофой фазы, для производства сахаров и прочих углеводов.

Слуга-австриец Доминик помогает Яну Ингенхаузу (справа) собрать газ, который производят подопытные растения.

Свет, пролитый на проблему

Голландский врач Ян Ингенхауз (1730–1799) разбогател, делая прививки против оспы. Он путешествовал по всей Европе, побывал в разных странах и в поездках заинтересовался устойством растений. В 1779 г. Ингенхауз остановился в усадьбе Боувуд-хауз в Уилтшире, Англия, где работал его друг Джозеф Пристли. Тот пытался понять, что такое воздух, и уже показал в 1771 г., что – по его собственным словам – воздух, «испорченный» в сосуде горящей свечой, вновь становится чистым, если в этот же сосуд посадить растение. Говоря современным языком, Пристли обнаружил, что растения производят кислород, хотя франзцузский химик Антуан Лавуазье придумал название для этого газа лишь спустя несколько лет.

Ингенхауз исследовал феномен в ряде точных экспериментов, описания и результаты которых опубликовал в 1779 г. под заголовком «Опыты над растениями». Он показал, что растения производят кислород, когда находятся на солнечном свете, что это касается только их зеленой части растения и что в темноте дышат, как и животные, высвобождая углекислый газ. Позже ученый также сделал верное предположение о том, что растения забирают из воздуха углекислый газ для генерации тканей.

С4-РАСТЕНИЯ

Некоторые растения собирают углекислый газ для реакции темновой фазы особым образом. Они известны как C4-растения и встречаются в основном в сухом тропическом климате. Это, например, камфорное дерево. В отличие от большинства растений, они не собирают углекислый газ в течение дня. Чтобы забрать его из воздуха, пришлось бы открыть поры на листьях, но тогда через открытые поры испарилась бы вода. Поэтому такие растения пополняют запасы углекислого газа ночью. Это вполне подходящие условия для реакции темновой фазы.

Последующие достижения

Так началось изучение процесса, который теперь называют фотосинтезом. Однако само это слово, означающее «соединение светом», придумали в 1893 г. Но куда больше усилий потребовалось, чтобы разобраться, что же происходит в действительности. Было установлено, что растение при фотосинтезе производит сахара́ из воды и углекислого газа, и кислород выделяется как побочный продукт. Растения используют сахара́ в качестве источника энергии и для производства других веществ. Позже, в XIX в., опыты показали, что фотосинтез происходит внутри хлоропластов – крошечных образований в клетках растений, содержащих зеленый пигмент хлорофилл. Тип света тоже важен. Растение улавливает свет с помощью хлорофилла, но использует только красный и голубой спектры света и отражает зеленый. Поэтому растения имеют зеленый цвет. (Если бы растения могли использовать энергию солнечного света полностью, они были бы черными.)

Исследования XX в. дополнили картину. Происходит сложная цепь химических реакций, которые для наглядности можно разбить на две стадии – реакции световой фазы и реакции темновой фазы. В первом случае хлорофилл расщепляет молекулы воды, используя энергию солнца. Атомы водорода и энергия, полученные в ходе этой реакции, затем передаются дальше и используются в реакциях темновой фазы, в результате которых молекулы углекислого газа превращаются в сахара́.

Пузырьки на листьях подводных растений, таких как элодея канадская, – это кислород, произведенный в ходе фотосинтеза.

Натуралисты

Интерес к естественной истории расцвел в 1700-х гг., и зачастую лучшими натуралистами были увлеченные любители. Английский священник Гилберт Уайт – знаменитость среди них.

Почти всю жизнь Уайт прожил там, где и родился, – в деревне Селборн на юге Англии. Здесь он изучил все особенности местной фауны и флоры. Многие годы он вел переписку с такими же любителями о своих наблюдениях и выводах, а позже его письма были опубликованы в книге, ставшей классической, – «Естественная история и древности Селборна» (1789). Уайт верил, что необходимо проводить тщательные личные наблюдения, а не полагаться на память или на написанное другими. «Бич нашей науки – это сопоставление одного животного с другим на память», – написал он однажды. Он первым описал несколько видов млекопитающих и птиц и исследовал миграции последних. Работа Гилберта Уайта и его коллег-натуралистов помогла лучше понять живую природу, и таким образом они внесли свой вклад в развитие таких дисциплин, как этология, физиология животных и экология.

Вид на Селборн, где жил Гилберт Уайт. Ученый в полной мере использовал богатство природы в окрестностях деревни.

Гилберт Уайт увидел змею. Иллюстрация из ранних изданий его работ.

Животное электричество

Важным в науке XVIII в. стало открытие тесной связи электричества и тела.

Ранние эксперименты в этой области захватили воображение публики и в итоге привели к пониманию механизма работы нервов и мышц.

Роль нервной системы в контролировании организма заметили еще в древности при вскрытиях и опытах с живыми животными. Но связь между нервами и электричеством установили только в 1700-х гг. Проводить первые опыты было непросто, поскольку стабильного напряжения добиться не удавалось, пока в 1800 г. итальянец Алессандро Вольта не изобрел электрическую батарею. Посему в распоряжении имелись только короткие разряды статического электричества – например, от молниеотвода в грозу. Из нескольких ученых-первопроходцев, занимавшихся «животным электричеством», самым успешным считают Луиджи Гальвани (1737–1798). Публику поразили его детально описанные эксперименты, в том числе заставлявшие шевелиться мертвых лягушек. Некоторые опыты, на первый взгляд, доказывали, что электричество производят сами животные. Гальвани, сам того не понимая, превращал лягушек в электрический накопитель, прилаживая к ним проволоку из разных металлов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СКАТ

Один из видов животного электричества был хорошо известен с древности – разряды электрических рыб, в том числе скатов. При помощи видоизмененных мышечных клеток эти родственники акулы вырабатывают электрический ток. Научное название отряда Torpediniformes восходит к латинскому глаголу torpēre – «быть в оцепенении». Именно это произойдет с вашей рукой, если потрогать ската. Рыбу когда-то назначали в качестве лекарства от головной боли. Некоторые тропические пресноводные рыбы, в том числе электрические угорь и сом, также производят высоковольтные разряды.

ФРАНКЕНШТЕЙН

Мэри Шелли, автор знаменитого романа «Франкенштейн, или Современный Прометей», опубликованного в 1818 г., описывая, как доктор Франкенштейн оживил свое чудовище, электричество не упоминала, хотя в некоторых экранизациях показывают именно такой способ. Тем не менее позже писательница признала, что ее вдохновили опыты Луиджи Гальвани и Джованни Альдини – особенно эксперименты последнего с казненными преступниками.

Последующие достижения

Гальвани думал, что «животное электричество» отличается от прочих видов. Но когда была изобретена электрическая батарея, от идеи использовать животных отказались, поскольку это было не так сподручно. Тем не менее термин «гальваническое электричество», то есть такое, которое было получено химическим способом, носит имя исследователя. Вскоре после смерти Гальвани его племянник Джованни Альдини произвел сенсацию в Лондоне, пропустив ток от электрической батареи через бездыханное тело повешенного убийцы, и тот стал двигать конечностями и корчить страшные рожи – в зависимости от того, куда Альдини присоединял контакты.

Впоследствии ученые продолжили работу Гальвани и Альдини. Немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон показал в 1843 г., что импульс действительно действует на живой нерв и что электрический заряд проходит по нему подобно волне, или нервному импульсу. Если нерв соприкасается с мышцей, импульс заставляет ее сокращаться. Идея о том, что клетки – это кирпичики организма, также сыграла положительную роль. Ученые поняли, что нервные волокна состоят из множества похожих на проволоку нервных клеток, расположенных параллельно. В ХХ в. было найдено объяснение биохимическим причинам электричества – потенциалу действия.

Один из опытов Гальвани показывает, как реагируют лапки лягушки в зависимости от того, куда экспериментатор присоединяет металлические электроды.

Вымирание

Когда-то идея о вымирании многим казалась невероятной. Однако французский зоолог Жорж Кювье доказал всем, что вымирание действительно происходило и происходит.

В начале XIX в. Кювье начал заниматься позвоночными животными и стал изучать их скелеты. Так он заинтересовался окаменелостями, найденными в районе Парижа. Постепенно ученые пришли к согласию в том, что окаменелости – это свидетельства прошедшей жизни. Но они не могли договориться, о чем именно они свидетельствуют. Многие относились к идее о вымирании скептически. Почему Бог создал некоторые виды животных, а потом убил их? Еще до появления людей. Согласно исследованию Кювье, окаменевшие кости, обнаруженные близ французской столицы, явно принадлежали слонам и носорогам. Более того, он показал, чем они отличаются от аналогичных видов, обитающих на Земле сегодня, намекая, что парижские носороги вымерли.

Так мог выглядеть шерстистый носорог – вымерший вид, изучаемый Кювье.

Рисунок Кювье показывает различия между челюстью индийского слона и челюстью найденного ученым вымершего мамонта.

Кювье полагал, что животные были созданы в несколько этапов, каждый из которых завершался потрясением – или революцией, как он это называл, – приводящим к вымиранию. В отличие от некоторых своих коллег, он не верил в эволюцию и настаивал на том, что по останкам не видно постепенного превращения одного вида в другой. Ученый также верил, что каждый вид создан идеальным, а потому, если он станет эволюционировать, части организма станут не так хорошо подходить друг к другу.

Позже, когда теории эволюции приобрели большую популярность, вымирание стали рассматривать как часть масштабного процесса, вызванного борьбой за выживание, сменой климата и случайными изменениями. В ретроспективе Кювье был отчасти прав. Случаи массового вымирания, например гибель динозавров, во многом похожи на то, что предлагал он.

Биогеография

Почему те или иные виды животных и растений находят в тех или иных частях света? Такой, казалось бы, простой вопрос веками занимал многие умы.

Биогеография, или наука о географическом распределении живых существ, совмещает в себе две тесно связанные области: палеобиогеографию и экологическую биогеографию. Последняя изучает, как распространение животных и растений связано с современными условиями. Первопроходцем в этой области был немецкий ученый и исследователь Александр фон Гумбольдт (1769–1859). Он придерживался холистического подхода к науке, стараясь свести вместе биологию, исследования климата и геологию, чтобы найти ответы на биогеографические вопросы. Гумбольдт дал начало традиции наносить на карты изотермы – линии, соединяющие места с равными средними температурами, – что помогло объяснить распространение растений.

Смелые исследования Александра фон Гумбольдта в Южной Америке, тогда мало изученной, не только принесли множество новых знаний, но и после публикации сделали ученого известным всякому обывателю.

В глубь времен

Современный климат не объясняет, почему в экологически схожих частях света, таких как Северная Африка и Австралия, находят совершенно разные виды животных и растений. И это удел палеобиогеографов – разобраться, как распространялись по планете живые существа с начала времен. Поиск ответов на такие вопросы тесно связан с развитием теории эволюции. В 1830-х гг. Чарльз Дарвин посетил Галапагосские острова в Тихом океане, и сразу после фауна изолированных участков суши стала очень обсуждаемой темой. Сегодня очевидно, что необычный животный мир сложился, когда мигрирующие виды из Южной Америки добрались до новых островов и со временем эволюционировали. Изучение же окаменелостей показывает, что на континентах, которые сегодня расположены далеко друг от друга, когда-то водились похожие или идентичные виды. Возникла идея о том, что континенты движутся (это и есть теория дрейфа материков). Одним из первых ее сторонников был Гумбольдт, а позже движение материков в деталях описал немецкий ученый Альфред Вегенер. Он полагал – и, как выясняется, он был прав, – что все континенты когда-то составляли единый участок суши, который ученый назвал Пангеей, и что впоследствии они разошлись. Аргументы Вегенера не спешили принимать, но в 1960-х гг. теория тектоники литосферных плит объяснила, как могло произойти смещение континентов с точки зрения физики.

Схема расположения окаменелостей, которые находят в Гондване. Гондвана была южным сверхматериком, сформировавшимся около 200 млн лет назад при разделении сверхконтинента Пангеи. Позже Гондвана также разделилась, и появились известные нам сегодня южные материки.

Ламаркизм

Еще задолго до Чарлза Дарвина существовало множество идей о том, как могла эволюционировать жизнь на Земле. Одну из них, привлекшую больше всего внимания, предложил француз Жан-Батист Ламарк.

К началу XIX в. находили все больше геологических свидетельств, в том числе окаменелостей, указывающих на то, что Земля куда старше, чем говорится в Библии, и что до людей здесь жили многие странные существа. Ученые предпринимали попытки объяснить, как подобное разнообразие видов животных и растений могло возникнуть в естественных условиях. Среди них был французский зоолог и ботаник Жан-Батист Ламарк. В своей книге «Философия зоологии» (1809) он выдвинул теорию о том, что изменения тела происходят в результате накопления определенных качеств в течение жизни. Мышцы, например, развиваются благодаря физическому труду и передаются в таком виде потомкам, которые, следовательно, начнут жизнь с более развитыми мышцами. Теория получила название «ламаркизм».

Классический пример ламаркизма: если за свою жизнь жираф вытягивает шею каждый раз чуть выше, этот дополнительный вытянутый участок передастся его потомкам.

Согласие и споры

Некоторые коллеги Ламарка, например Жорж Кювье, считали вывод надуманным и были уверены, что найденные ископаемые останки не содержат свидетельств постепенного изменения, чего следовало бы ожидать, если теория эволюции верна. В 1844 г. в Британии вышла книга анонимного автора под названием «Следы естественной истории творения», которая поддерживала теорию эволюции по системе Ламарка.

Она стала бестселлером, но подверглась критике ученых того времени. Только в 1859 г., когда Дарвин опубликовал свой opus majus «О происхождении видов», научный аппарат пополнил более убедительный механизм эволюции – естественный отбор. Все это произошло задолго до того, как наследственность описали генетики, и даже Дарвин считал, что эволюция по Ламарку в некоторых случаях возможна. Недавно возникшая наука эпигенетика в течение жизни наблюдает периферические изменения в генах, которые могут наследоваться. Хотя к ламаркизму этот механизм отношения не имеет, он показывает, что приобретенные качества все же могут оказывать влияние на естественный отбор.

Жан-Батист Ламарк не только выдвинул теорию эволюции, но и сделал важный вклад в изучение и классификацию живых существ, особенно беспозвоночных. Именно так он обозначил животных без спинного хребта.

Динозавры

В 1842 г. директор музея Ричард Оуэн составил отчет по ископаемым рептилиям, недавно найденным в Британии. Некоторым из них нужно было дать название, и он придумал новое слово, позаимствовав из древнегреческого словосочетания δεινός σαύρος, то есть «ужасная ящерица».

Люди находили кости и зубы динозавров во все времена, но не знали толком, что это. В Древнем Китае их называли костями дракона. В Европе начали находить все больше окаменелостей, и пришло понимание, что когда-то Землю населяли огромные животные, теперь уже вымершие, в том числе гигантские рептилии. Одними из первых обнаружили морских созданий, в том числе мозазавра и ихтиозавра. Они были рептилиями, динозаврами, но относились к разным видам. Первый динозавр, идентифицированный как таковой, был найден английским палеонтологом Гидеоном Мантеллом в богатой ископаемыми каменоломне в Суссексе, в Англии – сначала один зуб, а затем полный скелет. Это было гигантское сухопутное животное с зубами как у современной игуаны. Поэтому Мантелл назвал его игуанодоном.

Гидеон Мантелл с помощниками ищут ископаемые в каменоломне Тилгейт, где обнаружили первого динозавра.

МЭРИ ЭННИНГ

Мэри Эннинг искала и собирала окаменелости в Лайм-Риджис на скалистом южном побережье Англии. Она научилась определять наиболее удачные места для поисков вымерших рептилий, например похожих на рыбу ихтиозавров. Она была женщиной и не имела университетского образования, а потому не могла полноценно участвовать в научной жизни. Однако научное сообщество оценило важность ее открытий и выводов.

Мертвые или живые?

Со времен Мантелла и Оуэна интерес к динозаврам не исчез. Несмотря на свое название, они все же не ящерицы, а скорее родственники крокодилов. Сегодня известно свыше 1000 ископаемых видов, и вероятно, еще больше пока не открыты. Динозавры населяли Землю примерно 200–66 млн лет назад. Затем большинство вымерло, вероятно, как полагают сегодня, в результате столкновения с Землей огромного астероида. Современные находки, особенно сделанные в Китае, показали, что многие динозавры имели оперение. Вообще сегодня мир населяют около 10 000 видов динозавров, живых и здоровых. Только мы называем их птицами.

Так мог выглядеть игуанодон, травоядный динозавр, который мог ходить и на двух, и на четырех ногах. Крупные когти на большом пальце, возможно, предназначались для защиты от врагов и поиска пищи.

Зоологические сады

Люди с древних времен держали в неволе диких и экзотических животных. Изначально эти «зверинцы» свидетельствовали о статусе богачей, но некоторые из них в результате превратились в современные зоопарки.

Зверинцы были обыденной частью королевского быта. Например, один из них сотни лет располагался в лондонском Тауэре. В XVIII в. возрос интерес к естественной истории, и на животных начали смотреть с научной точки зрения. Старейший в мире зоопарк находится в Вене. Он был основан в 1752 г. – тогда это был зверинец императора Австрии – и сохранился на том же месте; только теперь это уже современный зоопарк. Первый зоологический сад, который изначально создавался в научных целях, сегодня превратился в Лондонский зоопарк. В 1826 г. было сформировано Зоологическое общество Лондона, а два года спустя открылся принадлежавший ему Зоологический сад. Поначалу туда могли попасть только члены общества, но после 1847 г. начали пускать и простых горожан за плату, что пополнило бюджет зоопарка. В 1840-х гг. появилось и сокращение «зоосад», сегодня привычное для подобных заведений. Даже после смерти животные не прекращали служить науке. Наоборот, они становились предметом исследований для биологов, занятых сравнительной анатомией, процветавшей в викторианскую эпоху.

СТЭМФОРД РАФФЛЗ

Британский колониальный администратор сэр Стэмфорд Раффлз очень интересовался естественной историей, особенно регионов Юго-Восточной Азии, где служил. По возвращении в Лондон в 1824 г. он стал инициатором создания Зоологического общества Лондона и его первым секретарем. (Однако умер всего через несколько месяцев, едва приняв на себя полномочия.) Его также помнят как основателя Сингапура – на малообитаемом острове у побережья Малайзии.

Зоопарк всегда был местом, где можно увидеть животных со всего света. Но сегодня зоопарки также способствуют сохранению видов, находящихся под угрозой исчезновения.

Новые направления

По современным стандартам условия в традиционных зоопарках не были удовлетворительными. Одно из нововведений было пришлось на 1907 г. – в Гамбургском зоопарке в Германии появились более просторные клетки, а вместо оград и решеток прокопали рвы. Коренные перемены начались с 1960-х гг., когда острее стали осознавать необходимость сохранения дикой природы и больше заботиться о благополучии животных. Сегодня большинство зоопарков выполняют природоохранные и образовательные функции. Они сотрудничают друг с другом по программам размножения видов, находящихся под угрозой исчезновения, возвращая животных в дикую природу, если это возможно.

Сила жизни

До 1820-х гг. люди верили, что жизнь поддерживает некая таинственная «животворная сила» и что вещества, производимые организмом, нельзя объяснить только законами химии. Все изменило случайное открытие.

Однажды, в 1828 г., взволнованный немецкий химик Фридрих Вёлер написал своему старшему коллеге, что только что получил «без участия почек» мочевину – химическое соединение, которое ранее удавалось извлечь только из мочи. Впервые эта телесная жидкость была получена в лаборатории, и это стало предвестником многих открытий в области органической химии (химии соединений углерода). И все же в одном химия живых существ радикально отличается от химии неодушевленных предметов. Многие из ее молекул демонстрируют хиральность, то есть «праворукость» или «леворукость» – как фабрика, производящая перчатки только на одну руку. Химики могут создать симметричные молекулы в лаборатории при незначительной помощи живых существ.

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Нефтяная промышленность пользуется способностью живых существ производить сложные химические соединения. Первая нефтяная скважина была пробурена в Титусвилле, штат Пенсильвания, в 1859 г., а сегодня по всему миру существует около 65 000 месторождений. Нефть сформировалась из микроскопических организмов, живших в далеком прошлом, и является смесью органических (углеродсодержащих) химических веществ, особенно углеводородов (соединений только углерода и водорода). Она не только применяется в качестве топлива, но также является сырьем для изготовления множества продуктов, от пластика до лекарств.

Униформизм

В начале XIX в. возникла новая геологическая теория, которая помогла убедить людей в невероятной древности Земли. Чарлз Дарвин согласился с этим видением, дававшим, по его мнению, время на совершение эволюции.

Шотландский геолог Джеймс Хаттон заинтересовался геологическими областями, где имелись осадочные отложения, затвердевшие, подвергшиеся эрозии и затем покрывшиеся более поздними наслоениями породы. Ученый осознал, что для этого потребовалось невероятное количество времени. «Мы не находим ни следа начала; и никакой перспективы конца», – написал он. Теории Хаттона развил Чарлз Лайель в книге «Основы геологии» (1830), оказавшей влияние на Чарлза Дарвина. Лайель объяснил геологическую историю на примере современных процессов, заключив, что они происходили сходным образом миллионы лет. Теория получила известность как униформизм, и она все еще имеет вес сегодня, хотя мы знаем, что ход истории время от времени нарушается катастрофами.

Фронтиспис книги Лайеля «Основы геологии», на котором показаны геологические процессы.

Ферменты

Ферменты, или энзимы, – это биологические катализаторы, которые обеспечивают химические реакции и ускоряют их. Они жизненно необходимы животным и растениям.

В 1833 г. французские химики Ансельм Пайя и Жан-Франсуа Персо получили из солодового экстракта химическое вещество, ускоряющее превращение крахмала в сахара́. Они назвали ускоритель диастазой. Это был первый энзим, полученный в концентрированной форме, хотя само это слово (нем. Enzym) немецкий физиолог Вили Кюне придумал только в 1878 г. Названия всех открытых с тех пор ферментов имеют суффикс «аз». Известно, что ферменты ускоряют более 5000 биохимических реакций. Они действют при оптимальных температурах и уровнях кислотности. Если слишком холодно, реакции замедляются; слишком жарко – фермент меняет форму и становится менее эффективным. Как правило, ферменты – это белки, которые соединяются в сложные структуры, позволяющие разместить другие молекулы, или субстраты, и затем объединяют или расщепляют их для создания новых молекул, или продуктов. Таким образом, некоторые ферменты ускоряют биохимические реакции в тысячи раз. Почти все процессы обмена веществ внутри клеток нуждаются в ферментах – реакции должны проходить с должной скоростью для поддержания жизни.

В одной из реакций клеточного дыхания фермент гексокиназа смыкается над двумя субстратами, АТФ и ксилозой, чтобы ускорить их объединение. Участки, отмеченные голубым, – это место соединения фермента с другими молекулами.

Аэробное дыхание и пищеварение

Некоторые из наиболее важных реакций обмена веществ происходят в крошечной митохондрии внутри клетки: ферменты способствуют превращению глюкозы и кислорода в углекислый газ, воду и энергию, а энергия нужна для поддержания жизни. Другой важный набор ферментов находится в кишечнике. Ферменты особого рода существуют для всех видов питательных веществ: жиров, белков и углеводов.

Например, крахмал расщепляется на молекулы глюкозы, которые попадают через стенки кишечника в кровь и служат источником энергии для клеток организма. Ферменты амилазы ускоряют эту реакцию. Альфа-амилазу, или птиалин, производят слюнные железы, и когда слюна смешивается во рту с пищей, птиалин ускоряет гидролиз (расщепление соединения при помощи дополнительной молекулы воды) углеводов и их превращение в глюкозу. Птиалин продолжает воздействовать на углеводы в желудке до тех пор, пока высококислотные желудочные соки не разрушат птиалин или не изменят его форму.

Кроме открытия диастаза, Ансельм Пайя разработал процессы рафинирования сахара и синтеза буры из соды и борной кислоты. Он также выделил волокнистый карбогидрат и назвал его целлюлозой.

Осмос

Осмос – это прохождение жидкости через полупроницаемую мембрану со стороны, где концентрация раствора ниже, на сторону, где концентрация раствора выше. Осмос – это основа водного обмена в живых существах.

Осмос был открыт в 1748 г. французским священником и физиком Жаном-Антуаном Нолле, который в качестве грубой мембраны использовал для своих демонстраций мочевой пузырь свиньи. Осмос – это разновидность диффузии, процесса, при котором вещества в жидкости или газе естественным образом равномерно распределяются по раствору. При осмосе мембрана останавливает более крупные молекулы, но вода легко проходит сквозь нее. Вода выравнивает концентрацию веществ в растворе – она перетекает из области с низкой концентрацией вещества к области с более высокой концентрацией. Действие осмоса прекращается, когда концентрация по обе стороны мембраны выравнивается, то есть с одной из сторон становится больше влаги.

ТРАНСПИРАЦИЯ

Транспирация – это, по сути, встроенный в растения водяной насос. В ходе этого процесса жидкость проходит через растение от корней до мелких пор на нижней стороне листьев, там она испаряется и попадает в воздух в виде водяного пара. По мере испарения воды в верхней части растения в результате осмоса от корней поднимается дополнительная влага – по системе трубок, состоящих из рядов специальных клеток – ксилем. Транспирация совершается быстрее в теплых и ветреных условиях.

Срезанные цветы помещают в гипотоническую воду (свежая чистая вода подойдет), чтобы в ходе осмоса их стебли наполнились влагой. Свежий вид цветов поддерживается дольше – но в конечном итоге мертвые растения подвергнутся естественному процессу разложения. Живое растение увядает, когда ему не хватает воды, и с помощью воды его можно возродить.

Биологические мембраны полупроницаемы: например, молекулы белка слишком крупные, чтобы пройти сквозь нее. Мембраны также остановят заряженные ионы. В диффузии участвуют маленькие молекулы, в том числе молекулы кислорода, углекислого газа, азота и окиси азота. Осмос – главный способ транспортировки воды в клетки и из них. В биологических системах вода с концентрацией растворенных веществ меньше нормы называется гипотонической; больше нормы – гипертонической. Когда клетка попадает в гипотонический раствор, осмос притягивает воду, и клетка разбухает. Это происходит, например, когда клетку помещают в чистую воду. В гипертоническом растворе, таком как соленая вода, молекулы воды покидают клетку, и она сжимается. С помощью осмоса растения забирают воду из почвы. В клетках корней содержатся растворенные вещества, поэтому молекулы воды поступают внутрь, повышая внутреннее давление и делая клетки упругими. Если растение долгое время лишено воды, давление падает, клетки сжимаются, и растение увядает.

Клеточная теория

Клеточная теория – это фундамент современной биологии. Она исходит из того, что клетки – базовые единицы всех живых организмов, которые могут рождаться только из уже существующих клеток.

Основы клеточной биологии как научной дисциплины заложило развитие микроскопии в XVII в. Все последующие столетия ученые наблюдали клетки растений и животных под все большим увеличением. Биологи довольно рано пришли к согласию в том, что живые организмы состоят из базовых единиц, но никто не связывал клетки, увиденные под микроскопом, и клетки, которые составляли тела животных и растений. Французский физиолог Рене Дютроше в конце концов узрел эту связь: в 1824 г. он признал значение отдельных клеток в функционировании живого организма, заявив, что «клетка – это фундаментальный элемент организации».

Маттиас Шлейден преподавал ботанику в Йенском университете в Германии.

Клеточная теория

Считают, что принципы клеточной теории сформулировали двое ученых. В 1838 г. немецкий ботаник Маттиас Шлейден опубликовал «Данные о фитогенезисе», основанные на исследовании растений под микроскопом. Шлейден предположил, что все части растений состоят из клеток. Он также указал на важность ядра в делении клетки и признал, что новые клетки растений формируются из ядер старых.

ПРИНЦИПЫ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ

1. Все живые организмы состоят из одной или более клеток.

2. Клетка – это базовая единица строения и функционирования организма.

3. Клетки появляются из уже существующих клеток.

В 1830-х гг. немецкий физиолог Теодор Шванн работал с тканями животных, в том числе нервными клетками: он рассматривал их под микроскопом и описывал свойства. Одажды двое ученых встретились, чтобы обсудить свою работу, и Шлейден рассказал о роли ядра в делении клетки. Шванн сразу же вспомнил о похожих структурах в клетках животных и осознал связь между ними. В 1839 г. Шванн опубликовал книгу «Микроскопические исследования», в которой утверждал: «Все живые существа состоят из клеток и продуктов клеток». Двое ученых таким образом выдвинули клеточную теорию и сформулировали два из трех основных ее принципов: 1) все живые организмы состоят из одной или более клеток; 2) клетка – это базовая единица строения и функционирования организма.

Основываясь на работе Шлейдена и Шванна, немецкий ученый Рудольф Вирхов пополнил список принципов клеточной теории, постулировав: клетки происходят из уже существующих клеток. Этот вывод приписывают Вирхову, но он опирался на опыты немецкого биолога Роберта Ремака, который наблюдал деление клетки в оплодотворенных икринках лягушки.

На иллюстрации показана структура типичной клетки растения. В отличие от клеток животных, клетки растений имеют стенки, хлоропласты и вакуоли.

На иллюстрации показано строение типичной клетки животного. Внутри мембраны находится водянистая жидкость – цитоплазма. Ядро в центре клетки состоит из генетического материала в виде ДНК. В числе прочих структур – органеллы: митохондии, производящие энергию, эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, производящие и транспортирующие питательные вещества.

Свойства клеток

У клеток животных и растений много общих свойств. И у тех, и у других есть ядро, содержащее генетический материал и контролирующее все процессы. Есть и клеточные мембраны, которые регулируют движение воды и растворенных химических веществ внутрь клетки и из нее. Мембрана удерживает жидкую цитоплазму. По сравнению с клетками животных, клетки растений содержат ряд уникальных структур. В частности, клеточные стенки, сформированные из волокон целлюлозы. Это укрепляет и позволяет держаться вместе как кирпичики в стене. Клетки растений также имеют вакуоли – емкости для для воды. Клетки в зеленых частях растений содержат хлоропласт. Внутри этих образований есть зеленый пигмент хлорофилл, поглощающий энергию солнечного света и производящий питательные вещества в ходе фотосинтеза.

Функции клеток

Клетки имеют общие характеристики, но есть и такие, которые наделены специальными функциями. Хороший пример – это красные кровяные тельца. Свой цвет они приобретают благодаря присутствию гемоглобина – молекулы, которая распространяет по телу кислород. У нервных клеток совершенно другая структура: они напоминают проволоку для передачи электрических сигналов, а клетки костей окружены сетью кристаллов фосфата кальция, которые придают им прочность. Все они рождаются из неспециализированных стволовых клеток, способных трансформироваться или видоизменяться в любой тип клеток, необходимый телу.

Теодор Шванн разработал базовый принцип клеточной теории: все живые существа состоят из клеток. Предложенная им классификация клеток разных видов заложила основы современной гистологии.

Рисунки клеток Вирхова, подготовленные для цикла лекций в 1858 г.

Сердце

Этот мускулистый орган перекачивает кровь по телу. Его приводит в действие сердечная мышца, которая заставляет его биться от зачатия до смерти. Как правило, она сокращается около 100 000 раз каждый день.

В человеческом сердце четыре камеры: два предсердия и два желудочка. В левую сторону сердца поступает насыщенная кислородом кровь из легких, оттуда она перекачивается во все части тела, поскольку кислород используется в клеточном дыхании. Правая сторона получает обедненную кислородом кровь со всего тела и перекачивает в легкие, чтобы снова наполнить кислородом. Две части сердца разделены внутренней перегородкой. Строение сердца и циркуляцию крови по организму изучал английский анатом Уильям Гарвей, а чешский физиолог Ян Эвангелиста Пуркинье открыл волокнистые ткани (сегодня они называются волокнами Пуркинье), проводящие к желудочкам сердца электрические импульсы. Импульсы обеспечивают синхронное сокращение – так становится возможным комплексный сердечный ритм.

Схема 1881 г. показывает основные кровеносные сосуды и камеры сердца.

ЯН ЭВАНГЕЛИСТА ПУРКИНЬЕ

В середине XIX в. Пуркинье был одним из самых известных в мире ученых. Он продемонстрировал роль волокон Пуркинье в сердце, а также открыл крупные нервные клетки (клетки Пуркинье) в коре мозжечка и ввел термины «плазма» – жидкая составляющая крови, – и «протоплазма» – содержимое клетки. Пуркинье также создал первое в мире отделение физиологии – в 1839 г. во Вроцлавском университете в Польше.

Две системы

У человека два круга кровообращения. Малый (легочный) круг кровообращения переносит кровь к легким и от них, а по большому (системному) кругу кровообращения кровь поступает к остальным частям тела и возвращается от них. Правое предсердие получает кровь, лишенную кислорода, по двум крупным венам – нижней полой вене (идущей от нижней части тела) и верхней полой вене (от тела выше диафрагмы). От правого предсердия кровь поступает через трехстворчатый клапан в правый желудочек. Сердечные клапаны не позволяют крови течь в обратном направлении. От правого желудочка она перекачивается через клапан в ствол легочной артерии, которая разделяется на две артерии, отходящие от легких. В легких артерии разветвляются на все более мелкие кровеносные сосуды, которые собирают кислород из альвеол. Правый желудочек сокращается недостаточно сильно, чтобы обогащенная кислородом кровь разошлась из легких по всему организму, поэтому она возвращается к сердцу и получает новый импульс. Она проходит по четырем легочным венам – по две на каждое легкое – и входит в левое предсердие. Продолжая путь через двустворчатый клапан, кровь поступает к левому желудочку. Мышца, покрывающая эту камеру, толще, чем мышца правого желудочка, поскольку ей надлежит подавать кровь не только к легким, но и ко всем органам тела. От левого желудочка насыщенная кислородом кровь течет через клапан аорты и через аорту, самую крупную артерию в человеческом теле, покидает сердце.

Сердечный цикл подразумевает, что при каждом ударе сердца мышца волнообразно сокращается. Кровь поступает в обе полости в верхней части сердца, и сердечная мышца сокращается, посылая кровь в желудочки ниже; и в этот момент сокращаются желудочки, выталкивая кровь в сосуды.

Чередование поколений

Жизненный цикл простых растений состоит из гаметофитной фазы, когда они производят половые клетки, и следующей спорофитной фазы, когда бесполым способом они производят споры. Это называется чередованием поколений.

Немецкий биолог Вильгельм Гофмейстер описал чередование поколений в 1851 г., но чтобы полностью понять этот процесс требовались достижения генетики. Спорофит – это диплоидная фаза растения, то есть на этом этапе клетка содержит двойной набор генов, по одному от каждого родителя. Спорофит производит споры – крошечные частички, которые разносит ветер или вода. Споры – гаплоидны, то есть содержат только один набор генов и вырастают в гаметофитную структуру, производящую гаметы (яйцеклетки и сперматозоиды, также гаплоидные). При слиянии гаметы возникает диплоидная клетка, которая затем становится спорофитом. У мхов и печеночных мхов доминирующее поколение гаплоидное, поэтому гаметофит мы считаем основным растением. У растений со внутренними жилками, таких как, например папоротники, главное растение – спорофит.

Мхи – очень простые растения: они не имеют привычного вида листьев, стеблей и корней. Видимая их часть – это, как правило, гаметофитное поколение, участвующее в половом размножении. Спорофитное поколение занято рассеиванием спор.

Дарвинизм

Если говорить об идеях, 1859 г. был непохожим на все другие. Опубликованная в тот год теория эволюции Чарлза Дарвина произвела переворот и в научной мысли, и в нашем понимании жизни на Земле.

Чарлз Дарвин родился в Шрусбери (Англия) в обеспеченной семье. Его отец был врачом, поэтому и он два года изучал медицину, но бросил. Затем Чарлз поступил в Кембриджский университет с намерением стать священником, и, как многие ученые хорошего происхождения в то время, живо интересовался ботаникой, энтомологией (наукой о насекомых) и геологией.

Путешествие на «Бигле»

По окончании Кембриджа Дарвин услышал, что вскоре в кругосветную научную экспедицию отправится корабль «Бигль». Он подал заявку и был принят на неоплачиваемую должность натуралиста (в действительности ему даже пришлось оплатить дорогу). Корабль вышел в море в декабре 1831 г. Молодой человек страдал от морской болезни, пока шли через Атлантику, и когда «Бигль» достиг побережья Бразилии, он был рад оказаться в тропическом девственном лесу. Обогнув южную оконечность Южной Америки, «Бигль» держал курс на север и к 1835 г. достиг далеких Галапагосских островов у побережья Эквадора. Здесь, на маленьких островах, обнаружились невероятные виды животных, которые больше нигде не водились: например, морские игуаны, нелетающие бакланы, гигантские черепахи и даже пингвины, обитающие вдалеке от Антарктики. Дарвин заметил, что особи разных видов животных, например черепах, обитавшие на разных островах, отличались по таким признакам, как форма панциря. Молодой натуралист также видел птиц с клювами разной формы. Этот опыт дал ему пищу для размышлений, пока «Бигль» продолжал путь.

«Бигль» на ремонте на реке Санта-Крус в Аргентине. Ниже по побережью Дарвин нашел окаменелости гигантского ленивца и задумался о причинах его вымирания.

Книга Дарвина «Происхождение человека», появившаяся в 1871 г., спровоцировала споры: автор предположил, что люди и обезьяны, такие как шимпанзе, произошли от общего предка. Критики неверно истолковали его вывод: многие считали, что, по мнению Дарвина, люди произошли от современных обезьян.

Рисунок викторианской эпохи со сражающимися динозаврами иллюстрирует идею о выживании наиболее приспособленного (англ. survival of the fittest). Однако сам Дарвин не использовал такую формулировку, она появилась благодаря его стороннику Герберту Спенсеру.

За пять лет плавания (1831–1836) «Бигль» исследовал побережье Южной Америки, пересек Тихий океан, зашел в Австралазию и затем вернулся в Англию через Индийский океан. Позже Дарвин написал: «Путешествие на ”Бигле“ было, конечно, самым важным событием моей жизни, определившим всю мою последующую деятельность».

Естественный отбор

Дарвин вернулся в Англию, и оказалось, что письма, в которых он изложил свои построения и предположения, произвели впечатление на научное сообщество. Вскоре он женился на своей кузине Эмме и осел в Дауне, графство Кент. Между тем он не переставал размышлять над увиденным на Галапагосских островах и в других местах во время путешествия. Возможно ли, чтобы маленькие птички все происходили от общего предка, который добрался до островов? Являлось ли разнообразие внутри одного вида результатом непохожих условий на разных островах? Дарвин написал ученым и селекционерам, пытаясь собрать доказательства своего крепнувшего убеждения, что эволюция происходит в результате естественного отбора – так он назвал этот процесс. Каждое поколение животных производит больше молодняка, чем способно выжить. Следовательно, между особями наблюдается конкуренция. Отдельные особи внутри вида немного отличаются друг от друга: естественное многообразие означает, что некоторые из них лучше приспособены к среде и с большей вероятностью смогут дать потомство. Например, те, у кого ноги чуть длиннее, быстрее убегут от опасности. Такие представители вида, вернее всего, проживут дольше и станут размножаться, а значит, передадут свои качества дальше. С течением времени выгодный признак постепенно распространится на всю популяцию, и виды будут изменяться, или эволюционировать.

Предание огласке

Дарвин прекрасно понимал, что его идея вызовет переполох среди ученых и в обществе XIX в. в целом. Поэтому он откладывал публикацию и активно собирал данные в поддержку своей теории. Процесс затянулся на 20 лет, вплоть до 1858 г., когда ученый получил письмо от натуралиста Альфреда Рассела Уоллеса, работавшего в Юго-Восточной Азии. Уоллес пришел к тем же выводам! В следующем году Дарвин спешно издал книгу «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь» и, как он и опасался, она действительно вызвала негодование. Впрочем, споры не утихли до сих пор. Дарвин не смог в точности описать, как наследуются признаки. Но ХХ в. дал жизнь новой науке – генетике, – которая объяснила этот механизм. Теория Дарвина является одной из основ современной биологии.

ПОЛОВОЙ ОТБОР

Дарвин разработал теорию полового отбора, согласно которой животные выбирают партнеров, основываясь на определенных признаках, связанных не только с индивидуальным выживанием. Например, павлины-самцы привлекают самок эффектными, но громоздкими хвостами. Так как павлиньи самки выбирают самцов с самым изысканным оперением (яркий окрас показывает, что это здоровый и подходящий партнер), хвосты помогают павлинам воспроизводиться.

Законы наследования Менделя

Работа австрийского монаха Грегора Менделя, появившаяся в 1865 г., заложила основы современной генетики. Кропотливые исследования побегов гороха помогли объяснить принципы наследования.

Еще до того как Грегор Мендель (1822–1884) провел свои опыты в садах монастыря в Моравии, фермеры веками занимались селекцией растений и скота. Они брали отдельных особей с желаемыми признаками, ожидая, что их потомство унаследует эти черты. Но никто не понимал, согласно какому принципу происходит наследование, пока Мендель не пролил свет на проблему в 1865 г.: тогда он опубликовал результаты семилетних опытов с побегами гороха.

КОДОМИНАНТНОСТЬ

Выбор прозорливого Менделя пал именно на побеги гороха, так как они быстро воспроизводятся и имеют ярко выраженные признаки. Генетика не всегда так проста. В некоторых случаях аллели гена кодоминантны, или неполностью доминантны. Неполная доминантность наблюдается, когда аллели дают смешение наследуемых черт, например, когда красный и белый цветки дают розовый. В случаях кодоминантности у потомства проявляются оба наследуемых признака. Цвет шерсти некоторых животных, например лошадей и кошек, определяется по этому типу наследования. Поэтому они имеют множество разных окрасов и рисунков.

Мендель выбирал растения, отличные только по одному признаку, например, по цвету цветка или по характеру поверхности горошины (сморщенной или гладкой). Затем он скрещивал выбранные экземпляры друг с другом и считал число растений, демонстрировавших эти признаки в следующем поколении. Он заметил, что первое поколение скрещенных растений, названное им F1 (от англ. first filial), целиком состоит из растений с одним признаком. При смешении растений с красными (даже, скорее, пурпурными) и белыми цветками все поколение F1 имело красные цветы. Смешения не происходило. Мендель назвал красные цветки и другие признаки, которые проявлялись в F1, «доминантными», а исчезнувшие, подобно белым цветкам, «рецессивными».

Мендель проводил самоопыление растений из поклоления F1 (для оплодотворения семян он брал пыльцу того же цветка – в отличие от многих растений, у гороха это возможно). В результате он обнаружил, что примерно три четверти особей следующего поколения, F2, содержат доминирующий признак, а четверть – рецессивный, что дает соотношение 3:1.

Грегор Иоганн Мендель жил в монастыре Св. Томаша в Брно, в Моравии. Сегодня территория принадлежит Чехии, а тогда входила в состав Австро-Венгерской империи.

Выводя законы наследования, Мендель рассматривал семь характерных признаков гороха: форму и цвет горошин, цвет цветков и их расположение на растении, форму и цвет стручков и длину стеблей растения.

Переходящие факторы

Мендель предположил, что признаки определяются единицами наследования, которые он назвал «факторами». Родители передают факторы потомству, поэтому у каждого потомка имеется по два фактора. Фактор существует у каждого признака, но в различных вариантах, например, красный и белый цвета. Доминирующий фактор контролирует признак, проявившийся у потомства. Мендель увидел, что факторы не сливаются и не сочетаются в поколении F1, а передаются по отдельности F2.

Он обобщил свои наблюдения в два закона наследования. Согласно закону расщепления, единообразные растения первого поколения дают разное потомство, то есть расщепляются. Какая пара генов будет унаследована – вопрос случая. По закону независимого наследования признаков, пары факторов передаются потомкам независимо друг от друга.

На иллюстрации показано прохождение доминантной (R) и рецессивной (W) аллелей через три поколения.

Современный взгляд

Сегодня мы называем «факторы» генами, а варианты генов – их аллелями. Современные термины появились почти через пятьдесят лет после выхода в свет работы Менделя, остававшейся без внимания до начала ХХ в. Менделевские законы наследования лежат в основе нашего понимания генетики, хотя во многих случаях не так легко выделить доминантную и рецессивную формы гена (см. примечание о «Кодоминантности»). Тем не менее благодаря преимуществам современной генетики мы можем объяснить происходящее. Проще всего изобразить наследование по Менделю, снабдив каждую аллель специальным символом: W – белый цвет, а R – красный. Цветки-родители – это WW и RR; у них по два комплекта одной аллели для цвета. Растения F1 наследуют один признак W и один R, то есть их можно обозначить WR. R – всегда доминантный, поэтому все F1 красного цвета. Растения F1 передают потомкам F2 либо W, либо R совершенно произвольно. Следовательно, растение F2 может унаследовать RR, WR, RW или WW. Шансы унаследовать одно из этих четырех сочетаний равны. Но только сочетание WW даст белые цветы; остальные три дадут красные. Поэтому при достаточно большой группе гибридов соотношение красных и белых цветков всегда будет 3: 1.

ПЛОХИЕ ПЧЕЛЫ

Мендель прославился опытами с горохом, но исследователь разводил и пчел, чтобы выявить генетические признаки у животных, а заодно получить великолепный мед для монахов монастыря. Существует легенда, что Менделю удалось вывести новую гибридную линию медоносных пчел, но получившиеся насекомые оказались настолько агрессивны, что жалили всех, кто попадался им на пути. Улей вообще не поддавался контролю, и пчел пришлось уничтожить.

ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, – это важнейшее химическое вещество в мире. Его открыл в 1869 г. швейцарский врач Фридрих Мишер при изучении гноя.

Долгое время биологи были убеждены, что существует некое «генетическое» образование, которое передается следующим поколениям и делает потомство похожим на родителей. Первый шаг к пониманию его природы сделал Мишер, когда исследовал белки в лейкоцитах (белых кровяных клетках). Он собрал материал из неприятного источника: пропитанных гноем бинтов пациентов ближайшей больницы. В 1869 г. Мишер заметил загадочную субстанцию, непохожую на другие белки, в ядре клетки. Врач назвал ее нуклеином, а сегодня мы называем это нуклеиновой кислотой. Мишер предположил, что это химическое вещество отвечает за наследование, но у него не было доказательств. В ХХ в. ученые подтвердили, что молекулы ДНК действительно переходят к следующему поколению и отвечают за наследование признаков. Хотя стало известно, что ДНК состоит из более мелких единиц – сахара-рибозы и четырех нуклеиновых кислот, – все еще неясно, как они сочетаются. Если загадка будет решена, мы узнаем, как химическое вещество переносит генетический код.

Фридрих Мишер назвал загадочную субстанцию, обнаруженную в ядре клеток, нуклеином. Этот термин нашел отражение в современном названии – дезоксирибонуклеиновая кислота, или кратко – ДНК.

ЯДРО

ДНК была открыта при анализе содержимого ядра, центрального органоида клетки, окруженного двумя мембранами. Ядро разглядели внутри клеток прежде остальных органоидов, и как сегодня известно, именно здесь хранится ДНК. ДНК содержит гены, которые копируются и отправляются в другие части клетки для расшифровки.

Консервация

Консервация – это охрана природы, природных ресурсов и диких животных. Сегодня охранные меры принимают тысячи организаций по всему миру. А начиналось все с попытки спасти клочок природы в Скалистых горах.

Охраной природы в рамках общественного движения впервые занялись в середине 1880-х гг. в Северной Америке. Ранее, когда европейские поселенцы продвигались по континенту на запад, природу воспринимали как противника, которого нужно завоевать, укротить и использовать. Затем некоторые мыслители, такие как Джон Мьюр и Генри Дейвид Торо, поняли, что природные ресурсы не бесконечны, что дикая природа хрупка и ее нужно беречь. В 1871 г. геолог Фердинанд Гайден провел первое исследование на северо-западе штата Вайоминг. Он рекомендовал создать национальный парк для сохранения уникальных природных богатств, которые видел в Йеллоустоуне, – с гейзерами и геотермальными источниками. Многие местные жители возражали, полагая, что это помешает лесному хозяйству, охоте и горному делу. Но предприятия, в их числе Трансконтинентальная железная дорога, поддержали предложение, пожелав открыть регион для зарождающейся индустрии туризма. В 1872 г. был принят закон, сделавший Йеллоустоун первым в мире национальным парком, «местом для пользы и удовольствия всего населения». Слово «консервация», от латинских servare «охранять» и con «вместе», вероятно, ввел Гиффорд Пинчот, руководитель Лесной службы США, в начале 1900-х гг.

КРАСНАЯ КНИГА

Международный союз охраны природы (МСОП) публикует Красную книгу – подробный список животных и растений, находящихся под угрозой. Виды разнесены по семи категориям, от уязвимых до исчезающих.

Охрана природы в ХХ в

В конце 1800-х гг. в Соединенных Штатах, а также в Канаде, Австралии и Европе были созданы и другие национальные парки. В 1950-х гг. движение разрослось. Сегодня национальные парки и заповедники существуют на всех континентах, некоторые даже размером с небольшую страну. У них две основные задачи: сохранять природу и дать людям возможность насладиться ею. При растущем количестве посетителей парками нужно управлять бережно, чтобы названные задачи не противоречили друг другу. Сегодня меры по охране природы разнообразны. Специалисты работают над сбережением таких ресурсов, как леса, почвы и запасы воды. Они также заботятся о диких животных, например, запрещая охоту на редкие виды. Спустя почти 150 лет после создания Йеллоустоуна лучшим способом охраны дикой природы все еще считается сохранение экосистемы целиком.

Йеллоустоунский национальный парк, на территории 8 990 кв. км, создан для охраны красивых пейзажей, в том числе гор, каньонов, водопадов, гейзеров и геотермальных источников. Последние два вида объектов сформированы вулканической активностью.

В 1871 г. Фердинанд Гайден проезжал мимо озера Миррор-лейк в сторону реки Ламар, притока реки Йеллоустоун. В отчете Гайдена содержалась рекомендация охранять эту территорию как национальный парк.

Биосфера

Жизнь существует на суше и в океанах, в почвах, на камнях, и высоко в атмосфере. Область планеты, заселенная живыми существами, называется биосферой. Этот термин, главный в современной экологии, придумал австрийский геолог Эдуард Зюсс.

Биосфера Земли простирается от Арктики до Антарктики, от глубоких недр до до нижних слоев атмосферы – там, на высоте 64 км были обнаружены микробы. Живые существа населяют океаны, в том числе впадины глубиной до 8 530 м, а одноклеточные организмы встречаются в почве и горных породах на глубине по меньшей мере 19 км. Но на дне океана темно и холодно, а в верхних слоях атмосферы содержится мало кислорода. Поэтому жизнь в основном распространена на относительно узком участке: между отметкой в 500 м ниже уровня океана и 6 км над поверхностью земли. По сравнению с размерами планеты этот слой невероятно тонкий. Если представить себе яблоко размером с Землю, биосфера была бы кожицей этого яблока. Насколько нам известно на сегодняшний день, жизнь, то есть биосфера, имеется только на нашей планете. Для известных нам форм жизни необходимы энергия Солнца, вода и атмосфера, содержащая кислород. Кроме того, Земля находится на подходящем расстоянии от Солнца: так обеспечивается комфортная температура. Возможно, в будущем мы обнаружим жизнь на других планетах или спутниках, в Солнечной системе или в системах других звезд.

Австрийский геолог Эдуард Зюсс предложил термин «биосфера» в 1875 г. В 1920-х гг. его идею развил русский геохимик Владимир Иванович Вернадский, определивший экологию как науку о биосфере.

Воздух, почва, камни, ледники и озеро на этом горном пейзаже наполнены жизнью и являются частью биосферы.

Микробная теория

Сегодня мы хорошо знаем, что при инфекционных заболеваниях наше тело заселяют вредоносные организмы. Тем не менее этот факт был доказан только после серии опытов 1860-х гг. с использованием странных стеклянных предметов.

О том, что крепкое здоровье связано с чистотой, известно давно. Римляне строили публичные бани в каждом городе, чтобы жители имели возможность вымыться, а ранние исламские учения подчеркивали важность регулярных омовений. Но никто не знал, что именно в грязи вызывает заболевания. До XIX в. западные врачи списывали все на миазмы, или «заразительные начала», разлагающихся тел и выделений организма. Поэтому считалось, что лучший способ избежать заболевания, например холеры или чумы, – носить изящную маску в форме клюва, наполненную травами и минералами, которые впитывали бы и отфильтровывали смертельные миазмы. Несмотря на подобную профилактику, врачи часто болели.

Пастер разработал метод очищения напитков, таких как вино и молоко, от микроорганизмов. Жидкость нагревается до высокой температуры на долю секунды, тогда патогены гибнут, а продукт в целом остается почти неизменным. Процесс и сегодня называют пастеризацией.

ДЖОН СНОУ

В 1854 г. эпидемия холеры обрушилась на Сохо, в то время лондонский район трущоб. Холера – это опасное заболевание пищеварительного тракта, и вспышка болезни в Сохо убила 600 человек. Местный доктор Джон Сноу составил карту распространения заболевания и выяснил, что все жертвы брали воду из одной и той же водокачки на Брод-стрит. Сноу обнаружил, что в питьевую воду просачивалась жидкость из близлежащей выгребной ямы. Таким образом он в очередной раз доказал, что грязная вода становится причиной заболеваний.

Влияние промышленности

Не было сомнений, что грязь, попавшая в рану после операции, приведет к болезни, и даже смертельной, но человек, объяснивший причины этого, не был ни врачом, ни химиком. В конце 1850-х гг. француза Луи Пастера попросили выяснить, почему вино и другие напитки иногда портятся в бочонках и бутылках. Пастер обнаружил, что это происходит из-за ферментации – в жидкости неизбежно присутствовали дрожжи и другие микроорганизмы. Более того, он доказал, что дрожжи – которые содержатся в фруктах – важны для изготовления вина и других алкогольных напитков. Без них виноградный сок вообще не превратится в вино. Находка противоречила принятой в то время теории о том, что дрожжи и другие микробы формируются самопроизвольно из неживого материала. Знаменитый опыт Пастера показал, что это не так. Ученый вскипятил бульон, чтобы убить все микроорганизмы и разлил его по колбам. Одни были греметично закупорены, в другие воздух мог поступать через горлышко, изогнутое, словно лебединая шея, а третьи оставались открытыми. Бульон в закупоренных колбах не испортился, а в открытых испортился через несколько дней. Сосуды с лебедиными шеями сохранили бульон значительно дольше. Пастер представил это как доказательство того, что причина всему – «микробы», которые переносятся по воздуху, а не возникают в самом бульоне. Им просто требуется больше времени, чтобы проникунть внутрь по искривленной трубке. Микробная теория Пастера имела значимые следствия: она показала, что именно микроорганизмы вызывают гниение и разложение, а не наоборот. Кроме того, всепроникающие микробы вскоре поставили во взамосвязь с инфекциями у людей и животных.

Патогенные организмы

В 1870-х гг. немецкий микробиолог Роберт Кох развил идеи Пастера, показав, что конкретное заболевание вызывают конкретные микробы. На агаре, желирующем агенте, получаемом из водорослей и богатом витаминами, он вырастил образцы бактерий, и это позволило ему выделить и изучить разные их виды. Кох определил, какие бактерии вызывают сибирскую язву (заболевание скота, влияющее и на людей), туберкулез и холеру. Организмы, вызывающие заболевания, сегодня называют патогенными. Патогенными могут быть бактерии, вирусы, микроскопические грибы и простейшие.

Копия сосуда с лебединой шеей, который использовал Пастер. Сегодня сосуд закупорен, а внутри осталось немного бульона.

Микробиология

Микробиология – это изучение микроскопических, обычно одноклеточных, организмов, в том числе бактерий и протистов.

Изучение микроорганизмов началось с изобретением микроскопа. С помощью этого нового инструмента в конце XVII в. Антони ван Левенгук смог разглядеть бактерии. Но отцом микробиологии тем не менее считается немецкий ученый Роберт Кох. В 1870-х гг. он продемонстрировал, какие именно микроорганизмы вызывают опасные заболевания.

Роберт Кох работает за своим микроскопом в начале 1900-х гг. Методика Коха для выделения причин инфекционных заболеваний используется и сегодня.

Две группы

Две наиболее важные группы, которые изучают микробиологи, – это одноклеточные бактерии и протисты. Клетка бактерии во много сотен раз меньше средней человеческой клетки. Многие бактерии живут внутри и снаружи тела человека. Считается, что на каждую человеческую клетку приходится 10 бактерий. Почти все они безобидны и даже полезны, но некоторые вызывают заболевания. Бактерии – прокариоты, то есть в их клетке нет ядра и других органелл. Обычно в клетках бактерий мембрану окружают прочные стенки, сохраняющие содержимое. У бактерий снаружи могут быть похожие на хвостики жгутики для перемещения и похожие на волоски отростки, называемые пилусами, которыми они держатся за другие клетки или за поверхность. Прокариоты археи внешне похожи на бактерии, но у них другое эволюционное наследие.

Чашку Петри изобрел Юлиус Петри. Впоследствии он разработал технику культивирования на агаре колонии бактерий из одной клетки. Этот метод лежит в основе бактериологии.

Эвглены – это протисты, берущие лучшее от двух миров. Оранжевые шарики используются для фотосинтеза, который снабжает клетку сахаром. Но эвглены – это и активные охотники, поглощающие и переваривающие любую пищу, какую находят.

Протисты – эукариотические организмы. Их клетки крупнее, чем у бактерий, и содержат сложные структуры, в том числе ядро. Растения, животные и грибы – многоклеточные эукариоты. А тело протистов состоит всего из одной клетки – или иногда из колонии клеток – и это невероятно разнообразные организмы, такие как простейшие, водоросли и амебы. Одни протисты передвигаются с помощью одного или двух жгутиков, а другие используют реснички – похожие на волоски отростки, – которые при движении создают потоки вокруг клетки. Третьи же передвигаются путем деформации клетки. Существуют протисты, больше похожие на животных тем, что потребляют пищу, тогда как другие, подобно растениям, получают энергию от фотосинтеза. Дрожжи, хотя и являются одноклеточными, относятся к грибам.

Круговорот азота

Для производства белков и ДНК всем растениям и животным нужен азот. Большинство организмов не могут получить азот из воздуха в чистом виде и поэтому полагаются на цикл обмена азота, который обеспечивает живые организмы пригодной для потребления формой.

Азот важен для всего живого, и от него зависит пищевая цепочка. Проблема в том, что хотя этот элемент присутствует в природе в изобилии, его газообразная форма очень инертна, поэтому он не может быть использован напрямую. Животные получают необходимое, когда едят растения, поглощающие азот в виде нитратов (NO_3) и других соединений из почвы. Но как эти вещества вообще попадают туда? Большой прорыв в понимании названных процессов сделал голландский микробиолог Мартин Бейеринк в 1885 г., выделив азотфиксирующие бактерии. Эти прокариоты, живущие в почве, берут газообразный азот из воздуха и преобразуют так, чтобы им могли пользоваться растения. Растения впитывают азот через корни и с его помощью производят аминокислоты, строительный материал для белков, и сырье для многих других важных соединений, таких как хлорофилл. Животные, которые едят растения, получают из пищи соединения азота вместе с другими питательными веществами. Кроме того, нитраты получаются при ударе молнии. Сильный разряд запускает в воздухе реакцию азота с кислородом, и возникают оксиды азота. Они растворяются в дождевой воде и формируют нитраты, которые попадают в почву.

БОБОВЫЕ

На корнях бобовых (это многочисленное семейство, включающее почти 25 тыс. видов, также называют мотыльковыми) расположены узелки, заполненные азотфиксирующими клубеньковыми бактериями. В обмен на место для жизни эти полезные микробы обеспечивают растение постоянным запасом азотистых соединений. Фермеры сажают бобовые, такие как клевер, чтобы снабдить почву поля дополнительным запасом азота перед следующим урожаем.

Система переработки

Испражнения и моча животных содержат азотистые питательные вещества. Их расщепляют деструкторы, в частности грибы и бактерии, и азот возвращается в почву в виде аммиака (NH_3). Кроме того, деструкторы, в число которых входит множество беспозвоночных животных, перерабатывают умершие растения и животных, опять же возвращая азотистые соединения в почву. Там уже другие бактерии превращают их в полезные нитраты. Уровень азота в воздухе не меняется, так как денитрифицирующие бактерии преобразуют нитраты обратно в газообразный азот, который возвращается в атмосферу.

Азот постоянно циркулирует в биосфере, так как живые существа производят с его помощью важные соединения.

Хромосомы

Хромосомы – это нитеобразные структуры в ядре клетки. Они состоят из нитей ДНК, плотно свернутых вокруг белков гистонов. Хромосомы несут генетический код.

В середине 1880-х гг. в серии опытов с круглыми червями немецкий ученый Теодор Бовери показал, что хромосомы распространяют данные о наследственности, передавая генетическую информацию из поколения в поколение. Молекула ДНК – это очень длинное и тонкое химическое образование. Каждая человеческая клетка, например, содержит около 2 метров ДНК, и это средняя длина. Все ДНК аккуратно свернуты вокруг гистонов – так формируются хромосомы, защитные структуры для хранения ДНК. Слово «хромосома» происходит от более раннего термина «хроматин», которым обозначался подкрашенный участок, заметный в ядре клетки. Позже выяснилось, что оттенок ему придают хромосомы, которые на этом этапе пребывают в развернутой форме. При делении клетки хромосома компактно и туго сворачивается, что Бовери и другие и увидели в микроскоп.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛА

Пол человека определяется двумя половыми хромосомами. У женщин эти хромосомы одинаковые (XX), а у мужчин разные (XY). Похожим образом устроено большинство животных. Однако пол крокодилов и черепах определяется температурой. Яйца, оказавшиеся в более жарких или прохладных участках крокодильего гнезда, – женские; мужские развиваются при средних температурах.

Организмы, которые размножаются половым способом, содержат диплоидные клетки. То есть в ядре большинства клеток существует два комплекта хромосом. Только гаметы, или половые клетки, имеют лишь один набор и называются гаплоидными. Один комплект хромосом передается от женской клетки, и один – от мужской. Человеческие диплоидные клетки содержат 46 хромсом в 23 парах, у обычных плодовых мушек восемь хромосом (четыре пары), у домашних кошек – 38 (19 пар), а у садовых улиток – 54 (27 пар). ДНК в каждой хромосоме разделена на множество секций – генов, – в которых содержится код конкретных характерных признаков организма.

Органеллы

Клетки растений и животных содержат внутри более мелкие образования, которые называют органеллами. Они окружены цитоплазмой и выполняют разнообразные метаболические функции.

Все формы жизни можно разделить на эукариотов – организмов, в клетках которых имеется ядро, – и прокариотов, клетки которых не имеют ядра. Животные и растения, а также амебы и аналогичные одноклеточные организмы – это эукариоты. Кроме ядра их клетки содержат и другие покрытые мембраной образования – органеллы. У прокариотов таких четко ограниченных структур нет. Ядро содержит почти весь генетический материал клетки, организованный в виде молекул ДНК, сплетенных в хромосомы. Главная их функция – защитить ДНК от ферментов и прочих активных химических веществ в клетке. Похожим образом органеллы создают микросреду, отделенную от содержимого клетки, и обеспечивают условия для конкретных процессов.

Митохондрии

Митохондрии – еще один тип органелл, открытый в 1890 г. немецким анатомом Рихардом Альтманом (ученый назвал их «биобластами»). Они отвечают за клеточное дыхание – процесс, при котором глюкоза окисляется и, высвобождая энергию, преобразуется в углекислый газ и воду. Эти сложные реакции в основном происходят на складках мембраны внутри митохондрии. Энергия хранится в форме аденозинтрифосфата (АТФ) и используется для любой энергоемкой деятельности клетки. Наиболее активные клетки содержат десятки митохондрий, а мышечное волокно, требующее много энергии, – несколько тысяч. Митохондрия несет некоторое количество собственных ДНК. Митохондриальная ДНК (мтДНК) в сперме не передается яйцеклетке при оплодотворении, и все особи всегда наследуют мтДНК от матери.

Митохондрии – это продолговатые органеллы, которые являются энергостанциями клеток. Из глюкозы и других питательных веществ они вырабатывают энергию, и клетки используют ее в процессе жизнедеятельности.

Эндоплазматический ретикулум – это сеть плоских мешочков и трубок, которые производят и транспортируют белки.

Другие органеллы

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) – это сеть трубчатых мембран. Шероховатый ЭР усеян мелкими структурами – рибосомами, которые производят необходимые клетке белки. Гладкий ЭР производит липиды. Аппарат Гольджи – это сходная мембранозная структура. Ее задача – упаковывать вещества в окруженные мембраной пузырьки для транспортировки через основную мембрану клетки. Хлоропласты «населяют» только зеленые участки клеток растений. Здесь происходит фотосинтез, при котором хлорофилл, зеленое химическое вещество, связанное со множеством плотно спрессованных мембран, удерживает солнечный свет. Количество хлоропластов в клетке варьируется от одного до примерно 100.

Функция хлоропластов в растении – обеспечение фотосинтеза. Хлорофилл, содержащийся внутри хлоропласта, впитывает солнечную энергию. С ее помощью из воды и углекислого газа получаются сахара́. Кислород – это побочный продукт.

Ортогенез

Ортогенез – это эволюционная концепция, которая предполагает, что у организмов есть тенденция развиваться в определенном направлении, разумеется, с повышением сложности. Очень немногие современные биологи соглашаются с ее положениями.

В конце XIX в. многие высказывались против теории эволюции путем естественного отбора, предложенной Дарвином. Одно из возражений касалось взаимосвязи между вариативностью морфологии и отбором как фактором, определяющим течение эволюции. Дарвин пришел к выводу, что вариации внешнего вида отдельных особей более или менее случайны, поэтому главной движущей силой является отбор полезных качеств, направляющий изменения в популяции. Но если вариации имеют тенденцию происходить именно в конкретном направлении – то есть если они неслучайны, – тогда, возможно, на ход эволюции влияет само направление. Если дело в этом, отбор играл бы только отрицательную роль, уничтожая пагубные вариации. Ряд ученых поставили вариативность на первое место в дискуссии о направленной эволюции. Одни полагали, что задействованы мистические силы, а другие утверждали, что в основе лежат некие физические процессы.

Кроме теории ортогенеза Теодор Эймер знаменит тем, что описал микроскопический орган осязания на кончике носа крота, который назван в честь ученого.

Традиционный взгляд на развитие человека, от шимпанзе, волочащего руки по земле, до прямоходящего Homo sapiens, ортогенетический. Он предлагает ход эволюции человека от примитивного к продвинутому. Но наше место в природе куда понятнее, если представить, что наш вид просто последний выживший из десятков очень похожих видов, которые развивались последние 8 млн лет.

Ненайденные тенденции

Вильгельм Хааке первым высказал мысль о направленной эволюции в 1893 г., а популяризовал ее немецкий зоолог Теодор Эймер. Он написал, что когда целый вид переживает изменение условий окружающей среды, все организмы реагируют одинаково, так как у них «схожая конституция». Эта теория напрямую расходилась с концепцией естественного отбора Дарвина. Эймер сделал идею о направленных изменениях популярной и назвал ее ортогенезом. Он утверждал, что в эволюции были течения без какого-либо адаптационного значения, которые, следовательно, нельзя объяснить естественным отбором. В 1898 г. он опубликовал работу «Ортогенез бабочек. Доказательства в пользу <…> бессилия естественного отбора при формировании видов». Некоторое время идея пользовалась поддержкой в обществе. Но изучение окаменелостей показало, что давно вымершие виды развивались во многих направлениях от общих предков, что означало, что естественный отбор дал много разных типов организмов – одни успешные и стойкие, другие – нет.

Вирусы

Вирус – это крошечный возбудитель инфекции, который воспроизводится только в живых клетках других организмов. Вирусы могут заражать любых живых существ, в том числе бактерии, не говоря уже о растениях и животных.

Всего было описано около 5000 типов вирусов, хотя существуют миллионы разновидностей. Но считать ли их живыми? Вирусы называли «организмами на границе жизни», потому что они переносят генетический материал, размножаются и эволюционируют путем естественного отбора, но не потребляют энергию и не имеют клеточной структуры. Вирусы крошечные, как правило, в сотню раз меньше бактерии, и состоят всего из трех частей: генетический материал (либо ДНК, либо РНК); защитная белковая оболочка, или капсид; и – иногда – внешняя жировая мембрана. Возможно, вирусы развились из участков ДНК бактерий, которые могли перемещаться между клетками, а теперь паразитируют, взламывая механизм клетки, чтобы воспроизводиться. Вирусы, не заражающие клетку, называются вирионами.

Один из основателей вирусологии, Мартин Бейеринк, также открыл азотфиксацию – феномен, который лежит в основе жизни на Земле. Бейеринк имел репутацию эксцентричного человека, он частенько грубил коллегам. Несмотря на два великих открытия, Нобелевскую премию он так и не получил.

Открытие

В 1898 г. голландский микробиолог Мартин Бейеринк опубликовал результаты опытов, показывающих, что мозаичную болезнь табака, фатальную для растения, вызывает возбудитель, который по размеру уступает бактерии. Он назвал его вирусом. Выводы Бейеринка совпали с наблюдениями, сделанными в 1892 г. русским ботаником Дмитрием Ивановским. У Бейеринка не получилось вырастить вирус in vitro, как это делали с бактериями, но он заключил, что вирус может воспроизводиться и множиться в живых растениях. Только в 1941 г. с помощью рентгенокристаллографии вирусная природа мозаичной болезни табака (внизу) была неопровержимо доказана.

Нападение на хозяина

Вирусы передаются разнообразными путями – по воздуху, через жидкости тела и при непосредственном контакте. Вирусы проникают в клетку и встраивают свою ДНК в ДНК хозяина. ДНК вируса содержит инструкции, которые заставляют клетку начать копирование вирусной ДНК. В конечном итоге клетка переполняется и разрывается, высвобождая вирусы, которые заполняют другие клетки. Если задействовано достаточно большое число клеток, организм заболевает. Как правило, после короткой болезни иммунная система выявляет и уничтожает вирусы. Тем не менее существуют некоторые вирусы – они вызывают заболевания, подобные ВИЧ, лихорадке Эбола или Западного Нила, – которые так сильно ослабляют иммунитет, что могут убить хозяина.

Вирусы – это самая распостраненная разновидность живых организмов. В стакане морской воды, например, их больше, чем людей на Земле. Подавляющее большинство вирусов совершенно безвредны для человека, каждый нацелен на конкретную группу хозяев.

Сукцессия

Окружающая среда постоянно меняется. Сукцессия – это процесс замещения одной экосистемы другой. Впервые его начали изучать, понаблюдав за сносимыми ветрами дюнами в американском штате Индиана в конце 1800-х гг.

Экосистемы не вечны. В конечном итоге катастрофа – лесной пожар, или оползень, или деятельность человека – унесет укоренившиеся виды, и образуется пустота. После подобных событий живому приходится вновь отвоевывать место для себя. Например, заброшенный участок города сначала колонизируют мхи, лишайники и мелкие растения. Эти виды, называемые пионерными, обеспечивают пищу для насекомых, которые привлекают птиц и других животных. Позже сюда проникают семена кустарников и деревьев, которые дают побеги. Все более сложные группы живых существ сменяют друг друга, пока не сформируется стабильное сообщество – климаксовая экосистема. И она задержится здесь, пока следующая катастрофа – мелкая или крупная – не разрушит ее.

Теория о существовании сукцессии стала одной из первых выдвинутых экологами. Генри Чандлер Коулз из Университета Чикаго изучал подвижность экосистем, наблюдая за растительностью в заповеднике «Дюны Индианы» в конце XIX в. В ХХ в. Фредерик Клементс определил промежуточные стадии сукцессии внутри экосистемы и привел общую схему заполнения пустот.

С прекращением человеческой деятельности благодаря сукцессии всякая среда заполняется той или иной композицией видов – экосистемой. На востоке Северной Америки и в Европе, например, это в основном лиственные леса. Регионы с другими видами климата порождают другие климатические сообщества.

Первичная сукцессия – процесс, когда живые существа начинают колонизировать новую среду обитания. Это может произойти после такого бедствия, как извержение вулкана. Например, в 1963 г. у побережья Исландии после подводного извержения из моря поднялся новый остров, впоследствии названный Сюртсей. Всего за несколько лет мхи, лишайники и прибрежные растения укоренились в пепле и лаве. Затем остров заселили насекомые, позже – морские птицы. Если же нарушена уже существующая среда обитания, например, лесным пожаром или вырубкой, появление новой растительности называется вторичной сукцессией.

Неприхотливое растение пробивается сквозь лаву. Так начинается длительный процесс сукцессии, который обратит безжизненную среду в цветущую экосистему – до следующего извержения вулкана.

Генетика

Наука о наследовании зародилась в 1860-х гг. с работой Грегора Менделя, но только в 1905 г. научное сообщество дало ей название.

Термин «генетика» происходит от греческого слова γενεσις, что означает «происхождение». Чарлз Дарвин и другие с помощью прилагательного «генетический» описывали неизвестный на тот момент механизм наследования. Слово «генетика» в качестве названия для науки о наследовании применил Уильям Бэтсон, английский биолог, открывший работу Грегора Менделя в 1905 г. Через несколько лет датчанин Вильгельм Иогансен ввел термин «ген», означающий единицу наследования. Другие ученые изучали ДНК – химическое вещество, содержащееся в хромосомах, но лишь 20 лет спустя была признана неоспоримая связь генов и ДНК. После этого развитие науки генетики уже не прерывалось. Сегодня это, возможно, самый важный раздел биологии – все благодаря сильной связи с медициной и технологиями.

Генетики оперируют и другими важными терминами. Так, аллели – это формы одного гена. Ген для цвета глаз, например, имеет несколько аллелей: голубой, коричневый, зеленый и т. д. Генотип – это тот набор аллелей, которые наследуются от родителей, а фенотип – фактическая реализация генотипа. В целом работа генетики заключается в том, чтобы разобраться, как ген – или последовательность ДНК – создает фенотип. Это непростая задача. Гены сами по себе фенотип не определяют: это скорее результат взаимодействия между генами индивида и окружающей средой.

МУТАЦИЯ

У этого теленка-альбиноса имеется редкий мутировавший ген, который не позволяет вырабатывать пигмент кожи и волос. Мутация – это произвольное изменение в генетическом коде. Она передастся следующему поколению, только если происходит в зародышевой линии, то есть в половых клетках.

Значительная часть исследований генетиков посвящена аномалиям в наследовании у человека. Например, когда секции хромосом отсутствуют, смещены (как видно слева на хромосомах 22 и 9) или дублируются. Эти исследования проливают свет на работу генов в целом.

ГЕН

Ген – это единица наследования, то, что не меняется и передается от поколения к поколению. Тем не менее термин часто употребляют неверно. В повседневной речи многие используют его для описания признака – ген цвета волос, например. Более точным научным определением было бы такое: ген – это частичка ДНК, содержащая код для одной частички белка.

Цвет глаз – это хороший пример фенотипа. Но он не подчиняется простым законам Менделя – мало какие признаки подчиняются. Здесь задействованы 16 генов, и у пары глаз не всегда один и тот же фенотип!

Деление клетки

Все живое состоит из клеток, а новые клетки состоят из старых, которые подверглись делению. Существуют два вида деления клетки: митоз и мейоз.

Цель митоза – рост, то есть получение двух генетически идентичных клеток из одной. Микробиологи, как утверждают они сами, наблюдали деление клетки в 1870-х гг., но подробное и качественное его описание было дано в 1880-х гг. немцем Вальтером Флеммингом, который назвал процесс митозом – от греческого μίτος – «нить». Флемминг выбрал такой термин, поскольку считал, что при делении ядра клетки появляется веретено с нитями (сегодня известно, что это белковые микротрубочки), делящее содержимое ядра на части.

Каждое деление проходит несколько сложных этапов. На первом этапе хромосома в ядре удваивается; соединенные вместе, эти «двойники» называются хроматидой. Хромосома затем утолщается и принимает форму буквы H – так мы обычно и представляем хромосому. (Большую часть времени хромосомы выглядят иначе.) Веретено разделяет хроматиды, и два хромосомных фрагмента отходят к противоположным концам клетки. Они станут содержимым ядер двух дочерних клеток. Мембрана формируется посередине клетки, на равные части разделяются органеллы и цитоплазма. Затем половинки разделяются и получаются две самостоятельные клетки.

Мейоз – это вид деления клеток, в результате которого получается четыре дочерние клетки с половиной генетического материала родителя. Имеет место смешение, или рекомбинация, и в результате генетический материал распределяется между хромосомами так, что все дочерние клетки становятся уникальными.

В результате митоза одна клетка превращается в две идентичные дочерние клетки.

Клетки тела – диплоидные, то есть имеют двойной набор хромосом, по одному от каждого родителя. Каждая хромосома содержит определенный комплект генов: так двойной набор хромосом может быть организован в гомологичные пары, которые несут одинаковые гены. Мейоз – это вид деления клетки, при котором образуются половые клетки – сперматозоиды и яйцеклетки. Половые клетки гаплоидны, то есть содержат половину хромосом обычной клетки. Чтобы вдвое сократить число хромосом при мейозе, предусмотрены два деления, в результате которых формируются четыре гаплоидные дочерние клетки. В ходе первого деления веретено разделяет гомологичные пары. Второе деление разделяет хроматиды, притом этот процесс очень похож на митоз. Половые клетки нужны для полового размножения организмов: они соединяются и образуют зиготу, первую клетку новой особи. При этом хромосомы разных гамет объединяются, и возникает диплоидная клетка, которая затем множится в процессе митоза.

Нейроны

В 1820-х гг. биологи обнаружили, что мозг состоит из разветвляющихся клеток, которые впоследствии назвали нейронами. Чтобы разобраться, как они устроены, потребовался целый век.

Революционным изобретением, позволившим исследовать нервные клетки, были ахроматические линзы для микроскопа. Они фокусировали свет любого цвета, что давало самые четкие из когда-либо виденых изображений тканей мозга при максимальном увеличении. Мозг резали на кусочки ножом или разделяли на тонкие фрагменты пинцетом. Когда у ученых появился такой микроскоп, они впервые увидели клетки мозга, по крайней мере наиболее крупные из них. Плотность мозговых клеток так высока, что было неясно, где заканчивается одна и начинается другая. Однако границы все же смогли рассмотреть три анатома, работавшие независимо: Христиан Готфрид Эренберг, Габриэль Валентин и Ян Эвангелиста Пуркинье. Рисунки Пуркинье, изучавшего крупные клетки в мозжечке, были лучшим отчетом об открытиях. Его иллюстрации немного похожи на головастиков или рыб с разветвляющимися и скрученными хвостами.

Изображение клетки мозжечка, названной в честь ее открывателя Яна Эвангелисты Пуркинье. Рисунок сделан Сантьяго Рамон-и-Кахалем, который в 1890-х гг. изучал строение нейрона.

Все нейрооны имеют схожую структуру. Ядро находится в теле клетки, которое имеет сотни дендритов и один аксон. Аксон передает информацию от клетки дендритам соседних клеток в виде электрических импульсов.

В 1872 г. клеточный биолог Камилло Гольджи (его имя носит одна из органелл клетки) усовершенствовал механизм изучения нейронов: он стал подкрашивать образцы специальным красителем. Несколько лет спустя немецкий врач Бернхард фон Гудден изобрел микротом – приспособление, которое разрезало мозг на ультратонкие слои, и тогда стало возможным увидеть отдельные нейроны. Но ученые не сошлись в интерпретации увиденного.

Клетки, казалось, имеют не один «хвост», а множество, и все они окружали тело клетки, или сому. Большинство ответвлений были короткими, и их назвали дендритами. А одно оказалось толще и куда длиннее. Сначала его назвали осевым цилиндром, но сегодня мы знаем его как аксон. Некоторые исследователи, в их числе и Гольджи, считали, что аксон соединен с дендритами соседних клеток. Тогда мозг и нервы, которые проходят через тело, образуют огромную единую сеть. В 1890-х гг. испанский ученый Сантьяго Рамон-и-Кахаль обнаружил, что все клетки существуют отдельно друг от друга, а в 1897 г. английский биохимик Чарльз Шеррингтон показал, что между нейронами нет физической связи. Они сообщаются посредством электрических импульсов, которые проходят по аксону и передаются соседней клетке химическими медиаторами, проходящими через синапс – место контакта.

Собаки Павлова

Знаменитые эксперименты Ивана Павлова с собаками стали первым системным исследованием обучаемости у животных. Как часто бывает в науке, тему для изысканий ему подсказал случай.

Русский физиолог Иван Петрович Павлов начинал не как бихевиорист, а как специалист по пищеварению. В 1904 г. он получил Нобелевскую премию по медицине за работу об участии блуждающего нерва в регуляции выделения пищеварительного сока. Павлов изучал пищеварение у собак, замеряя у своих подопытных количество слюны, выделяемой в качестве реакции на пищу. Однажды он заметил, что слюноотделение у собак началось прежде, чем принесли еду – в момент, когда вошел в комнату его ассистент, обыкновенно кормивший животных.

РАДИКАЛЬНЫЙ БИХЕВИОРИЗМ

Американский психолог Б. Ф. Скиннер был одним из основоположников радикального бихевиоризма. Он анализировал поведение животных с помощью ящика, названного в его честь. Животное – чаще голубь – помещалось внутрь. Ученый поощрял его едой или наказывал электрошоком, и так оно приобретало навыки. Скиннер показал, что может научить голубя выполнять те же задачи, что и обезьяну. Означает ли это, что голуби столь же умны? Скиннер так не думал. Он утверждал, что поведение определяется последствиями предыдущих действий и не требует участия интеллекта. Он даже предположил, что сознание человека – это условный фасад, создающий впечатление, что мы контролируем наши поступки.

Павлов сконцентрировался на рефлексе слюноотделения у собак, так как его было проще определить количественно. Слюна собиралась при помощи трубок.

Рефлексы и условная реакция

Павлов рассудил, что слюноотделение у собак происходит инстинктивно, то есть оно было заложено в мозге. Он назвал это безусловным рефлексом. А выделение слюны при виде ассистента – это, стало быть, выученное поведение, или условный рефлекс. Собаки запомнили, что за появлением ассистента следует еда. Следующие 20 лет Павлов изучал реакции собак. В своем классическом опыте он использовал колокольчик в качестве нейтрального стимула (изначально реакция отсутствовала). Собаки стали выделять слюну при звуке колокольчика, который возвещал о том, что вскоре последует пища. Еду нужно было подавать достаточно быстро, чтобы реакция закрепилась. Тем не менее условный рефлекс можно и утратить. Едва собаки выучивали, что колокольчик перестал сигнализировать о кормлении, слюноотделение при его звуке больше не наблюдалось. Павлов также опробовал звонок, стук метронома и даже электрошок. Его исследования дали почву для того предположения, что все виды поведения – это либо врожденные рефлексы, либо приобретенная реакция на награду или наказание.

Бихевиористы изучают условные реакции, но признают и роль наследственности в них. Радикальные же бихевиористы утверждают, что любое поведение объясняется обстоятельствами.

Прорастание семян

Прорастание – это пробуждение семени, его развитие и превращение в молодое растение. Это маленькое чудо оставалось загадкой до ХХ в.

Большинство привычных нам растений относятся к отделу покрытосеменных, или цветковых. Их семена развиваются внутри завязи, из которой в свою очередь формируется плод (это не обязательно что-то съедобное). А голосеменные, например хвойные деревья, производят семена внутри шишек.

Семена цветущих растений покрыты плотной наружной семенной оболочкой. Внутри находятся зародыш и запас питательных веществ, который либо содержится в семядоле, либо скрыт в эндосперме. В зависимости от числа семядолей покрытосеменные растения подразделяют на однодольные и двудольные. У зародыша есть неразвитый стебель – эпикотиль, и корешок – радикула.

ФОТОТРОПИЗМ

Растения тянутся к свету, чтобы активизировать процесс фотосинтеза. Это называется фототропизмом. Гормон роста ауксин, чувствительный к свету, в основном концентрируется на теневой стороне растения. Клетки на теневой стороне быстро удлиняются, а на световой стороне в отсутствие ауксина не растут. В результате стебель наклоняется к солнцу. Если семя прорастает в тенистом месте, ауксин стимулирует рост клеток стебля, побег выпрямляется и быстро растет вверх, к свету.

Когда свет находится с одной стороны, ауксин, сконцентрированный в клетках на противоположной стороне стебля растения, стимулирует рост к свету.

Семя – это миниатюрная система жизнеобеспечения внутри прочной оболочки, защищающей зародыш и запас питательных веществ. Английский натуралист Чарлз Дарвин и его сын Фрэнсис одними из первых исследовали процесс прорастания в 1880-х гг.

Чтобы прорасти, семенам нужны тепло, влага и кислород. Если все это присутствует – как, например, в тропических лесах, – семена прорастают быстро. Если соблюдены не все условия, семя может пребывать «в спячке» в течение месяцев и даже лет. Это состояние удерживает семя от прорастания осенью: так его не убьют зимние холода. Некоторым семенам требуются особые условия, например низкие температуры или большое количество солнечного света. А иногда им необходимо пройти через кишечник животного, чтобы сошла семенная оболочка.

Если все условия соблюдены, появляется росток. Предварительно семя впитывет воду и набухает так, что наружняя оболочка лопается. Запас питательных веществ преобразуется в энергию для роста. Радикула закрепляется в почве. Почка (побег) тянется вверх, поднимая на себе семядоли. Корни молодого растения впитывают воду и минералы, а зеленые части начинают производить энергию при помощи фотосинтеза.

Модельные организмы

Модельные организмы – это виды, которые широко используются в лабораторных исследованиях, так как их легко разводить и содержать. На их примере изучают поведение животных и генетику.

Модельные организмы, а именно плодовые мушки, помогли Томасу Ханту Моргану совершить революционное открытие: установить, что признаки наследуются при помощи хромосом. В начале 1900-х гг. Морган в своей лаборатории в Колумбийском университете, получившей прозвище «комната мух», несколько лет кряду разводил в сосудах дрозофил Drosophila melanogaster. Они были выбраны для генетических исследований потому, что быстро размножаются и часто дают мутации, что позволяет исследовать генетику в действии. Морган разводил особей с разным цветом глаз и формой крыльев и искал различия в их хромосомах.

Как выбирают модельные организмы?

В качестве модельных организмов в исследованиях обычно используют дрожжи, бактерии, кресс-салат, круглых червей, плодовых мушек, мышей, крыс, рыбок данио, морских свинок и кроликов. А потому разговоры о подопытных кроликах имеют под собой твердую почву. Эти виды легко содержать в лабораториях, и они быстро размножаются, поэтому за короткий период можно изучить несколько поколений. Опыты на подобных видах помогли нам понять, как работает наследственность, как растут и делятся клетки, как живые существа запасают и используют энергию. На модельных организмах также тестируют лекарства и новые методы в медицине.

Генетические исследования часто проводят на плодовых мушках Drosophila, так как они часто демонстрируют мутации. Кроме того, хромосомы у этих мушек крупные, а потому их легко изучать.

Модельные нематоды, или круглые черви (Caenorhabditis elegans), используются в эмбриологии, например, в исследованиях развития тканей и роли в этом генов.

Успех модели

В конце 1800-х гг. опыты с морскими свинками позволили Эмилю фон Берингу разработать антитоксин для лечения дифтерии. В 1920-х гг. Фредерик Бантинг занимался исследованием собак, и это помогло создать инсулин для больных диабетом. Иногда в лабораторных тестах используют приматов, так как их физиология и поведенческие реакции похожи на человеческие. В 1940-х гг. усилиями Джонаса Солка была создана вакцина от полиомиелита, спасшая миллионы жизней, – он изучал макак-резусов.

Рыжая, или амбарная, крыса – которая не всегда имеет такой цвет, – это модельное млекопитающее, с помощью которого изучают поведение, обучаемость и воздействии лекарств.

Биомы

Поверхность Земли можно разделить на области с похожим климатом, где местные популяции диких животных сталкиваются с похожими вызовами. Такие регионы называются биомами.

Термин «биом» предложил в 1916 г. американский эколог Фредерик Клементс, профессор ботаники в Университете Миннесоты. Клементс понял, что биомы не статичны, а со временем постепенно меняются. На растения внутри биома влияют климат, смена времен года, рельеф и высота над уровнем моря. Кроме того, в каждом биоме водятся определенные виды животных, которые также приспосабливаются к условиям среды.

Ученые классифицируют биомы Земли по-разному, но в основном выделяют семь типов: водные системы, тундра, тайга, лиственые леса, пустыня, тропические леса, саванна. Водные биомы подразделяются на морские и пресноводные, например озера и реки. Леса растут на территориях, которые характеризуются обильными осадками. Лесные биомы – это и влажные леса тропического пояса, где круглый год тепло, и лиственные леса в регионах с умеренным климатом, и северные хвойные леса, и тайга на далеком севере. Севернее тайги простираются пустнынные равнины тундры. Похожие климатические условия, флора и фауна встречаются в горах, поэтому ученые выделяют два основных типа тундры: полярную и альпийскую. Территории, где слишком сухо для деревьев, но слишком влажно для пустынь, покрыты травами. Это степи в областях с умеренным климатом – в США они называются прериями – и тропические саванны. Пустыни образуются там, где сухой воздух у поверхности не позволяет сформироваться дождевым облакам, а потому осадки там редки и скудны. Пустыни могут граничить с полупустынями.

Клеточная мембранна

Каждая клетка – и бактерия, и яйцо страуса (а желток – это одна клетка, очень большая) – окружена внешней оболочкой, называемой цитоплазматической мембраной. Внешняя преграда и аналогичные мембраны внутри клетки состоят из двойного слоя жиров, или липидов (от греч. λίπος – жир).

У первых клеточных биологов не было оборудования, позволявшего разглядеть цитоплазматическую мембрану. И они были убеждены, что все живые клетки ограничены стенками. Они действительно есть у клеток растений и грибов (и бактерий), но это дополнительные внешние структуры, обеспечивающие прочность и защиту. Клетки животных стенок не имеют. Внутреннее пространство любой клетки, крошечная камера, где происходит метаболизм, защищено мембраной. Ее открыли в конце XIX в. Тогда же обнаружили, что она полупроницаемая. Другими словами, она пропускает, например воду, но сопротивляется некоторым другим веществам. В 1925 г. выяснилось, что эта примечательная структура состоит из двойного слоя липидов. Этим термином обозначаются жиры и жироподобные вещества.

Билипидный слой

Молекулы липидов чем-то напоминают медуз. От глицеролового «тела» отходят три цепочки жирных кислот. К глицеролу в составе липидов мембраны прикреплен фосфат, или соль фосфорной кислоты, который делает вещество гидрофильным, то есть способным взаимодействовать с водой. Жирные кислоты гидрофобны: они отталкивают воду и не растворяются в ней. Сочетание этих двух свойств создает вокруг клетки прочный барьер толщиной примерно в семь нанометров. Липиды формируют двойную прослойку между верхним и нижним слоями глицерола. Внутри клетки глицерол смешивается с жидкостью цитоплазмы, снаружи – с прочими жидкостями. Внутреннюю область мембраны формируют жирные кислоты, которые смешиваются друг с другом, но не пропускают внутрь воду.

Мембраны не только ограждают жидкую среду клетки, но и хранят химические вещества, которые нельзя смешивать со всеми прочими. Они содержатся внутри пузырьков, или везикул. Они могут «сливаться» с цитоплазматической мембраной, чтобы освободить содержимое. Жиры переносятся кровью в форме более простых по строению мицелл.

Еще сложнее

Современные биологи описывают клеточную мембрану как избирательно проницаемую. Липидосвязанные белки действуют как поры и обеспечивают доступ к клетке и вовне определенных химических веществ. Разница в размерах между бактериями и другими клетками также обусловлена составом клеточной мембраны. Мембраны эукариотов содержат холестерин: он добавляет им прочности и позволяет формировать более крупные клетки, чем бактериальные. Сегодня мы справедливо считаем холестерин причиной некоторых заболеваний, но без него мы бы никогда не перешагнули в развитии микробов.

Пищевые цепочки

Животные питаются другими живыми существами, чтобы обеспечить энергией свои организмы. Но их точно так же могут съесть. Этот круговорот энергоресурсов очевиден на примере пищевых цепочек.

Каждая экосистема содержит множество пищевых цепочек, и их совокупность формирует крупную пищевую, или трофическую, сеть. Сегодня такой взгляд устоялся. Впервые же его предложил британский зоолог Чарлз Элтон в 1920-х гг. Ученый стал одним из основоположников экологии как науки: он анализировал взаимодействие живых существ со средой. В своей книге «Экология животных» (1927) Элтон использовал термин «пищевой цикл», который экологи позднее заменили на термин «пищевые цепочки».

Основу пищевых цепочек формируют живые существа, самостоятельно преобразующие неорганические вещества в органические. Их называют производителями, или автотрофами. Вне всякого сомнения, самые распространенные автотрофы – это фотосинтетические растения и водоросли, преобразующие углекислый газ и воду в глюкозу при помощи солнечного света. (Некоторые глубоководные автотрофные бактерии получают энергию из химических веществ в камнях и горячих источниках; они называются хемосинтетиками.)

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПИРАМИДА

Экологические пирамиды позволяют анализировать поток энергии внутри пищевых цепочек. На рисунке изображена пятичастная пирамида, характерная для экосистемы степей. На каждом уровне часть энергии теряется, поэтому на следующий ярус ее попадает меньше. В большинстве пищевых цепочек чем выше ярус, тем меньше количество организмов – плотоядных меньше, чем травоядных, но больше, чем высших хищников.

Вверх по цепи

Растениями питаются гетеротрофы, в том числе животные и грибы. Так, следующее звено пищевой цепочки формируют травоядные; их называют первичными потребителями. Они становятся добычей плотоядных животных, или потребителей второго порядка. Тех могут съесть более сильные плотоядные, или потребители третьего порядка. И так далее – до хищников высшего порядка.

Цепочка на этом не обрывается. Деструкторы, или детритофаги, – это организмы, питающиеся мертвыми растениями и останками животных. К ним относятся животные-падальщики, грибы и многие бактерии. Их задача – вернуть питательные вещества в почву или воду, чтобы их могли вновь использовать растения. Таким образом питательные вещества циркулируют внутри пищевой цепи, а энергию, необходимую для их переработки, дает солнечный свет.

На рисунке слева показана часть многоуровневой пищевой цепочки морей. Производители, то есть фитопланктон и водоросли, питают зоопланктон, который потребляется более крупными животными, и так далее – до акул.

Лысенковщина

Лысенковщина – политическая кампания, развернувшаяся в Советском Союзе в конце 1920-х гг. Ее сторонники отвергали устоявшиеся научные концепции, в том числе генетику и естественный отбор.

Вдохновителем лысенковщины был агробиолог Трофим Лысенко. Он заявил, что разработал революционные технологии, способные резко повысить урожайность. В то время ситуация с продовольствием в Советском Союзе была крайне неблагополучной, и советские власти наградили Лысенко ролью спасителя. Агробиолог и главная фигура советской пропаганды осуждал и даже опровергал законы наследования и дарвинизм. До 1960-х гг. лженаучный подход не встречал сопротивления, но затем позицию биолога поставило под сомнение новое поколение советских ученых, придерживавшихся общепринятых научных взглядов.

Трофим Лысенко.

Эусоциальность

Некоторые виды живут в социальных группах, в которых одна самка производит все потомство, а заботятся о нем остальные взрослые особи. Подобная социальная система называется эусоциальностью и распространена среди муравьев, пчел и ос.

Эусоциальных животных отличают три основных признака. Среди взрослых самок обязательно присутствует размножающаяся, также называемая маткой или королевой. В колонии есть по меньшей мере один фертильный самец, или трутень, и большое число рабочих особей. Несколько поколений рабочих животных объединяются, чтобы добывать пищу и заботиться о потомстве. Система эффективна, так как рабочие особи зачастую являются дочерями матки и заботятся о своих сестрах, с которыми делят множество общих генов. Эусоциальные медоносные пчелы демонстрируют необычную форму коммуникации. Каждый день рабочие особи вылетают из улья в поисках еды. По возвращении они исполняют сложный танец, чтобы сообщить другим рабочим пчелам о нахождении пищи. Австрийский биолог Карл фон Фриш обратил внимание на такое поведение в 1927 г., а в 1973 г. получил Нобелевскую премию за его дешифровку.

ГОЛЫЕ ЗЕМЛЕКОПЫ

Голый землекоп – одно из двух млекопитающих, демонстрирующих эусоциальность. Эти грызуны живут под землей в степной зоне Восточной Африки. В колонии самка спаривается с одним или несколькими самцами. Остальные взрослые особи, хотя и способны размножаться, являются рабочими: добывают еду и защищают колонию от хищников. (Второе эусоциальное млекопитающее – это дамарский пескорой.)

АТФ

АТФ, или аденозинтрифосфат, – энергетическая «валюта» клетки. Молекула этого вещества находится во всех живых организмах и питает большинство процессов, происходящих внутри клеток и поддерживающих в организмах жизнь.

Чтобы поддерживать жизнь, всем организмам нужен постоянный приток энергии. Энергия используется для таких процессов, как деление клетки, синтез белка и перемещение молекул внутри. Клетка получает необходимую энергию в процессе, который называется клеточным дыханием. Это медленное, контролируемое насыщение кислородом молекул пищи. Энергию, производимую при дыхании, накапливают молекулы АТФ, а затем переносят в другие части клетки.

Структура АТФ

Аденозинтрифосфат в 1929 г. обнаружил немецкий биохимик Карл Ломан, а также – независимо от него – индийско-американский биохимик Йеллапрагада Суббарао и американский ученый Сайрус Фиске. Молекула АТФ состоит из трех основных частей. Рибоза, одна из разновидностей сахара, образует центральную часть. Аденин (состоит из колец связанных атомов углерода, водорода и азота), присоединяется к рибозе. С другой стороны находятся три фосфатные группы, и именно они играют главную роль в переносе энергии.

Как работает АТФ

АТФ становится активна при реакции с водой, или гидролизе. В результате реакции получаются молекула аденозиндифосфата (АДФ) и одна фосфатная группа. Реакция сопровождается выделением энергии, которая питает метаболические процессы внутри клетки. Если организму в данный момент энергия не нужна, происходит обратная реакция, и свободная энергия используется для присоединения фосфатной группы к АДФ и формированию АТФ. Энергию для этого преобразования клетка получает от окисления глюкозы в рамках так называемого цикла Кребса. Каждая молекула глюкозы производит около 30 АТФ. Выходит, что АТФ работает как аккумуляторная батарея: запасает энергию, когда она не нужна организму, и немедленно высвобождает ее, когда в ней появляется нужда.

Производство молекул АТФ, источников энергии, происходит внутри органелл, называемых митохондриями. Эти «энергостанции» дают клеткам «силы» для выполнения всех надлежащих функций.

Гомеостаз

Гомеостазом называют ряд биологических процессов, которые обеспечивают стабильное состояние среды внутри живого организма. Слово происходит от греческих őμοιος – «подобный», и στάσις – «неподвижность».

Гомеостаз – это баланс между веществами, поступающими в организм и покидающими его. Организмы забирают из внешней среды воздух, воду и питательные вещества, а после перерабатывают их в строго контролируемых условиях. Для сохранения баланса во внутренней среде организмы избавляются от ненужных элементов, например воды, тепла, а также продуктов метаболизма. Французский физиолог Клод Бернар первым признал важность такой системы контроля в организме, что обосновал в своей работе, опубликованной в 1857 г. Много лет спустя, в 1929 г., американский физиолог Уолтер Брэдфорд Кеннон ввел термин «гомеостаз».

ПОЧКА

Почки нужны для осморегуляции, то есть контроля концентрации воды (и растворенных солей) в теле. Их деятельность регулируется гормонами, произведенными мозгом. Тело получает воду из пищи и выводит ее в виде мочи и с калом (а также в виде пота и пара при дыхании). Если пропорция воды в плазме крови слишком низкая, почки забирают больше влаги, и она направляется в кровь, а моча при этом становится более концентрированной. Когда пропорция воды в крови слишком мала, моча бывает менее концентрированной. Воду из крови забирает особый фильтр – капсула Боумена–Шумлянского.

Гомеостаз в теле животного обеспечивают две главные системы. Автономная нервная система отвечает за незамедлительную реакцию на изменения среды. Эндокринная система действует медленнее, с помощью химических медиаторов, гормонов, перемещающихся по телу с потоком крови. Когда тело чувствует нарушение нормальных условий, реагируют либо одна, либо обе эти системы, и баланс восстанавливается.

Температурный контроль

Один из самых важных гомеостатических процессов – это терморегуляция, то есть поддержание постоянной температуры тела. Человеческое тело способно нормально функционировать при температуре около 37 °C. Гипоталамус в мозге действует как термостат: он измеряет температуру крови, проходящей через него, и выявляет любые изменения. Он также принимает нервные импульсы от рецепторов на коже. Когда организм перегревается, кровеносные сосуды расширяются – тело отводит жар за счет того, что кровь начинает течь ближе к поверхности кожи. В то же время железы выделяют через кожу пот. При его испарении тело охлаждается. Если организм переохлаждается, сосуды сужаются, чтобы сократить приток крови к коже и остановить потерю тепла. Появляется дрожь, тело вырабатывает больше тепла.

Железы под кожей производят пот: он испаряется с поверхности кожи и способствует охлаждению тела.

Рекомбинация

Процесс рекомбинации при делении клетки позволяет получать новые клетки с уникальным набором генов, отличающимся от набора родительской клетки.

Генетическая рекомбинация происходит в процессе мейоза, то есть деления клетки с образованием половых клеток – спермы, пыльцы, яйцеклеток и т. д. В 1931 г. процесс описали американский генетик Барбара Мак-Клинток и ее аспирантка Хариет Крейтон. Ученые работали с генетическим материалом кукурузы и обнаружили, что только на одной паре хромосом (они называются гомологичными) присутствовали узловатые структуры. Мак-Клинток и Крейтон заметили, что эта особенность влияет на цвет и крахмалистость зерна. Затем ученые отследили эти признаки, наблюдая мейоз в более поздних поколениях растений.

Полученные в результате мейоза дочерние половые клетки, или гаметы, остаются с половиной родительских хромосом. Кроссинговер, или перекрёст, начинается, когда гомологичные хромосомы расходятся. Гаметы разных организмов подвергаются рекомбинации вследствие оплодотворения и формируют новые особи. Мак-Клинток и Крейтон показали, что части хромосом кукурузы, ответственные за определенные признаки, меняются местами в ходе мейоза. Признаки, связанные с узелками в хромосомах родительской клетки, проявлялись в более поздних поколениях, уже не имевших таких узелков, доказывая, что произошел обмен генетическим материалом.

Механизм рекомбинации

Генетическая рекомбинация – это сложный процесс, контролируемый ферментами. Они «обрезают» участки ДНК, составляющие гомологичные хромосомы. В первой фазе мейоза гомологичные хромосомы удваиваются, выстраиваются в нужной последовательности, цепи ДНК соседних хромосом перекрещиваются и обмениваются генетическим материалом. Далее хромосомные пары расходятся и делятся на четыре дочерние клетки (гаметы), некоторые из которых могут иметь новую комбинацию генов, отличную от генов родителей. Рекомбинация важна, так как создает генетическое разнообразие. А разнообразие позволяет популяциям адаптироваться к меняющейся среде. В течение многих лет научное сообщество игнорировало работу Мак-Клинток и Крейтон. Интерес к ней возродился с развитием электронной микроскопии в конце 1930-х гг. Ученые увидели генетическую рекомбинацию в деталях, а в 1953 г. британский биолог Фрэнсис Крик и американский биолог Джеймс Уотсон открыли структуру ДНК. В 1983 г. Барбара Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Рекомбинация на генетическом уровне происходит во время мейоза, когда гомологичные хромосомы обмениваются участками ДНК (скрещиваются) и позже делятся, образуя гаметы с разным набором генов.

Витамины

Витамины – это вещества, необходимые для поддержания здоровья. Организм человека не может производить большинство из них, а потому нуждается в правильном питании.

Все мы знаем о пользе витамина C, который присутствует во фруктах и овощах. Его обнаружил в 1931 г. венгерский физиолог Альберт Сент-Дьёрдьи (1893–1986). Открытие было важно, поскольку помогло осознать роль лимоннокислого цикла, или цикла Кребса, в метаболизме клетки. Для поддержания хорошего здоровья важны все витамины, а 13 из них жизненно необходимы. Витамины A, D, E, и К жирорастворимы, их запас может храниться в теле. Они содержатся в пище, богатой жирами, например в молочных продуктах и жирной рыбе. Витамин A важен для зрения: в его отсутствие может развиваться куриная слепота, или никталопия, то есть ослабление зрения при тусклом свете. Витамин D необходим для здоровья костей и зубов. Самый важный источник витамина D – это солнце: витамин синтезируется в коже под действием ультрафиолетовых лучей. Нехватка витамина D приводит к рахиту – нарушению развития костей. Витамин Е необходим кровяным клеткам. Витамин К чрезвычайно важен для процесса свертывания крови; его производят некоторые кишечные бактерии, а также он присутствует, например в шпинате, капусте, киви и сое. Витамин С и группа из 12 витаминов группы В растворимы в воде. Организм не может запасать их, поэтому людям нужно потреблять их ежедневно. Витамины группы В требуются в том числе для клеточного дыхания и метаболизма, а также для поддержания всех главных систем организма. Они присутствуют в крупах, молочных продуктах, печени, зеленых овощах.

Витамины часто используются в качестве ферментов или сырья для синтеза других химических веществ, участвующих в метаболизме.

МОРЯКИ И ЛАЙМЫ

Отсутствие витамина С приводит к цинге, или скорбуту, симптомами которой являются выпадение зубов и кровоизличния на коже. Болезнь была серьезной проблемой в длительных морских плаваниях. В 1747 г. шотландский хирург Джеймс Линд рассудил, что в рационе моряков чего-то не хватает. Он стал давать морякам, больным цингой, лаймы, и симптомы быстро исчезали. Лайм и другие цитрусовые (а также облепиха, черная смородина и шиповник) – прекрасный источник витамина C.

Британских моряков прозвали «лаймис», так как на борту их кораблей всегда был цитрусовый сок.

РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) – это химическое вещество, очень похожее на ДНК. Оно необходимо для передачи генетической информации от ДНК в ядре клетки ко всей клетке в целом.

Первый шаг к открытию РНК и ее роли в молеклуярной биологии клетки был сделан в 1869 г., когда швейцарский врач Фридрих Мишер выделил из ядра клеток гноя неизвестную субстанцию. Мишер назвал ее «нуклеином». Через несколько лет немецкий биохимик Альбрехт Коссель показал, что нуклеин – это кислота, содержащая пять азотистых оснований, а именно аденин, цитозин, гуанин, тимин и урацил. Коссель получил в 1910 г. Нобелевскю премию по физиологии и медицине за выделение и описание нуклеиновых кислот.

Прошло еще несколько лет, прежде чем биологи установили, что имеется два типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. В 1933 г. бельгийский биохимик Жан Браше показал, что ДНК локализована в хромосомах, тогда как РНК присутствует в цитоплазме всех клеток. Браше отметил, что клетки, богатые РНК, как правило, активно участвуют в синтезе белка, и пришел к выводу, что РНК имеет отношение к этому процессу. Механизм, связывающий ДНК, РНК и синтез белка, сегодня известен как центральная догма молекулярной биологии, но он открылся ученым, только когда стало ясно строения ДНК, то есть в 1953 г.

Вирус гриппа не содержит ДНК, генетическую информацию о нем несет РНК. Вирус не может размножаться самостоятельно: для этого он захватывает клетки организма-хозяина, вызывая знакомые всем симптомы.

Типы РНК

ДНК имеет в составве азотистые основания – аденин, цитозин, гуанин и тимин, и их последовательность определяет генетический код. РНК имеет сходную структуру, но вместо тимина содержит урацил. Кроме того, РНК – это, как правило, одинарная нить, тогда как ДНК – спираль, состоящая из двух нитей. РНК из одной нити, известная как матричная РНК (мРНК), передает генетическую информацию в клетку. Эту информацию конвертируют в белки структуры под названием рибосомы; они состоят частично из переплетенных молекул РНК (рибосомной РНК). мРНК проходит через рибосому, а при помощи транспортной РНК (тРНК) считывается последовательность оснований и выстраивает белок.

Американский биохимик Роберт У. Холли был одним из лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине 1968 г. за описание структуры транспортной РНК, которая влияет на механизм синтеза белка.

Экосистемы

Экосистема – это совокупность всех организмов, а также неживых элементов, составляющих их среду. Отношения внутри экосистемы изучает экология, зародившаяся в конце XIX в. Название науке дал немецкий зоолог Эрнст Геккель.

Геккель был одним из сторонников новой теории эволюции Дарвина. Термином «экология» он обозначил исследование отношений между организмами и их средой, которые и составляют суть естественного отбора. Одним из основоположников новой науки был британский ботаник Артур Тенсли. Опираясь на исследования других ученых-дарвинистов, например датского ботаника Эугениуса Варминга, Тенсли стал собирать вокруг себя единомышленников, которые впоследствии вошли в состав первого профессионального сообщества ботаников, позже трансформировавшегося в 1913 г. в Британское экологическое общество. Он также стал редактором нового журнала Journal of Ecology.

На рисунке Александра фон Гумбольдта показаны растения, найденные им на вулканическом острове. Он иллюстрирует, как перемена климата и прочие факторы формируют разнообразные экосистемы на разных высотах.

ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК

Гидротермальные источники – одни из самых необычных экосистем земли. Глубоко на дне океана из трещин вырывается очень горячая вода. Источники, подогреваемые вулканической активностью под океаническим дном, являются домом и источником питания для многих организмов, в том числе микроскопических бактерий и погонофор – беспозвоночных, обитающих в хитиновых трубках.

Концепцию экосистемы Тенсли представил в работе, которую опубликовал значительно позже, в 1935 г. Он описывал экосистемы как базовые единицы природы и надеялся привлечь внимание к сложному процессу транспортировки веществ между живыми организмами и неживой средой. Идеи Тенсли быстро приобрели популярность и создали новое поле научных исследованиий, которое с годами только ширится.

Что такое экосистема

Экосистема определенной местности включает в себя живых существ, или биоту. Это животные, бактерии и растения, которые взаимодействуют друг с другом и неорганической, или абиотической, средой – климатом, химией почв и запасами воды. Внутри каждой экосистемы встречается множество особей одного вида, которые составляют популяцию. Сообщество включает все популяции организмов различных видов. Экосистемы находятся в равновесии: если одна из популяций разрастается, это сказывается на других видах, и при взаимодействии с ними ее численность обязательно будет скорректирована. Таким образом внутри экосистемы поддерживается хрупкий баланс. Все живые существа внутри экосистемы, а также все абиотические факторы наделены своей ролью и нишей, но в то же время зависят друг от друга. Любое новое обстоятельство – например, внедрение новых видов или природная катастрофа, – может повредить экосистему или уничтожить ее.

Человеческая деятельность также может вести к исчезновению экосистем. Многие гектары тропических лесов вырубаются под сельское хозяйство и поселения, лишая животных и растения привычной среды обитания. Загрязнение также вредит экосистемам: из-за него могут исчезать популяции растений и животных. Оно же способствует эвтрофикации – насыщению водоемов биогенными элементами, которые провоцируют бурный рост водных растений. Чужеродные виды могут уничтожать местные популяции и нарушать исконный баланс. Сегодня экологи стараются защитить редкие виды, сохраняя их экосистемы.

Импринтинг

Импринтинг, или запечатление, – это форма поведения, характерная для молодых животных: они изучают повадки родителей, которые затем «запечатлевают» в памяти.

Британский биолог Дуглас Спалдинг одним из первых заметил это явление, когда наблюдал за поведением кур в 1870-х гг. Его опыты оставались неизвестными, пока в начале ХХ в. о них не прочел немецкий биолог Оскар Хейнрот. Основываясь на работах Спалдинга и Хейнрота, в 1935 г. австрийский зоолог Конрад Лоренц опубликовал первое научное исследование на тему импринтинга у серых гусей. Лоренц обнаружил, что едва вылупившиеся гусята инстинктивно следуют за первым подвижным предметом, который видят. Обычно птенцы идут за родителями, а в эксперименте Лоренца гусята привязывались к самому ученому. Исследователь обнаружил, что это происходит в течение 16 часов после вылупления. Он показал, что гусята точно так же реагируют и на неживые предметы. Например, они готовы были следовать и за игрушечным поездом.

Работа Лоренца способствовала появлению новой области биологии, которая получила название этология. Наука изучает поведение животных, в том числе людей.

Конрад Лоренц кормит гусей на лужайке рядом с домом. Лоренц верил, что поведение животных можно изучать только в природной среде, а не в лабораториях.

Лимоннокислый цикл

Лимоннокислый цикл – это движущая сила процессов клеточного метаболизма. Его часто называют циклом Кребса – по имени открывателя Ганса Кребса. Это самая важная стадия в расщеплении пищи, в ходе которой высвобождается энергия для питания клеток.

Ученые начали осознавать важность химических рекций для функционирования живых организмов еще в XVII в. Им удалось выяснить, что задействованы кислород, вода и углекислый газ, но мало кто понимал, насколько сложны процессы: это смогли осознать только ученые нового поколения – биохимики ХХ в.

АНАЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ

Лимоннокислый цикл характерен только для аэробного дыхания, когда клетки получают достаточное количество кислорода и выделяют углекислый газ и воду. В отсутствие кислорода – этот процесс называется анаэробным дыханием – клетки какое-то время могут производить энергию. Побочные продукты анаэробного дыхания – это либо молочная кислота, либо этанол. Аэробное дыхание куда более эффективно. При анаэробном дыхании на каждую молекулу глюкозы производится только две молекулы АТФ, а при аэробном дыхании – 38 молекул. Атлеты, например бегун Усэйн Болт, полагаются на анаэробное дыхание, когда сталкиваются с нехваткой кислорода при коротких интенсивных нагрузках. В результате накапливается молочная кислота и усиливается «жжение», которое атлеты чувствуют в мышцах после тренировок.

Кребс показал, что в ходе лимоннокислого цикла пища расщепляется в восьми стадиях. Цикл начинается и заканчивается формированием цитрата из оксалоацетата.

Первые химики экспериментировали с животными и растениями, пытаясь выяснить, какие химические вещества нужны организмам для выживания. В 1630-х гг. Ян Баптист ван Гельмонт определил важность воды для растений. Он даже считал, что для них это главный источник энергии. В 1770-х гг. Джозеф Пристли и Ян Ингенхауз обнаружили, что растения получают углекислый газ из атмосферы, а отдают «свежий воздух». «Свежий воздух» оказался кислородом, побочным продуктом фотосинтеза – процесса превращения углекислого газа и воды в глюкозу, «топливо» растений, под действием солнечного света. Затем в 1790 г. французский химик Антуан Лавуазье открыл обратный процесс. Животное вдыхает кислород и выдыхает углекислый газ. Равно как и при горении расходуется кислород и производится углекислый газ. Посему Лавуазье заключил, что животное с помощью кислорода сжигает в теле некое топливо. Этот процесс был назван дыханием.

Растения тоже дышат, сжигая запас глюкозы. Ночью, когда фотосинтез невозможен, они выдыхают углекислый газ, совсем как животные. Животные не производят глюкозу сами, поэтому получают «топливо», поедая растения или других животных, которые питались растениями.

Топливо из пищи

Глюкоза легковоспламенима, особенно в чистом кислороде. Тогда почему живые существа не взрываются, «сжигая» весь этот сахар? Дыхание высвобождает энергию понемногу, в серии биохимических реакций, которые называются лимоннокислым циклом. Первым его описал британский биохимик немецкого происхождения Ганс Кребс в 1937 г. Кребс наблюдал за метаболизмом глюкозы в грудных мышцах голубя, так как именно там процесс дыхания идет особенно активно, что облегчает эксперименты. Перед началом цикла глюкоза делится на небольшие группы, которые называются ацетильными (CH_3CO). Они содержат только два атома углерода наряду с одним атомом кислорода и тремя атомами водорода. В начале цикла ацетильные группы связываются с четырехуглеродным соединением, оксалоацетатом, и формируют шестиуглеродное соединение, цитрат (сходный с лимонной кислотой, кислым веществом в лимонном соке). На последующих стадиях молекула цитрата подвергается воздействию ферментов. В результате она преобразуется в четырехуглеродный оксалоацетат, и цикл начинается заново. В процессе высвобождается энергия в форме аденозинтрифосфата (АТФ), которая питает другие метаболические процессы внутри клеток.

Лимоннокислый цикл – эффективный процесс, так как в нем расходуются только ацетильные группы, получаемые из пищи. Ферменты, ускоряющие каждый этап, и промежуточные соединения, на которые они воздействуют, используются повторно в последующих циклах, в результате которых вырабатывается еще больше энергии.

Кребс сделал важное открытие, когда работал в лаборатории при Университете Шеффилда в Англии.

Победитель

Трудоемкие исследования заняли у Кребса пять лет, и по их итогам он описал все стадии лимоннокислого цикла. На ранних стадиях работы ученый во многом опирался на выводы венгерского физиолога Альберта Сент-Дьёрдьи, установившего важность некоторых промежуточных соединений в цикле. Кребс также сотрудничал с американским биохимиком немецкого происхождения Фрицем Липманом, который открыл кофермент А (CoA), ключевой элемент, задействованный в начале лимоннокислого цикла. В 1953 г. Кребсу и Лимпану была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

Дифракция рентгеновских лучей

В 1952 г. британские исследователи Розалинд Франклин и Раймонд Гослинк с помощью дифракции рентгеновских лучей получили так называемую фотографию 51. Некоторые считают ее самой важной из когда-либо сделанных фотографий, так как она раскрывает структуру ДНК.

Волны излучения рассеиваются или преломляются, проходя через небольшие зазоры. В 1912 г. немецкий ученый Макс фон Лауэ показал, что рентгеновские лучи преломляются, проходя через кристаллы. Это позволило измерить расстояние между атомами внутри кристалла; по наклону исходящего из кристалла луча можно было строить предположения о строении молекул. К 1950-м гг. дифракция рентгеновских лучей использовалась для изучения сложных химических веществ в клетках, таких как витамины и холестерол. Франклин и Гослинг разделили ДНК на нити и просвечивали ее рентгеновским лучом более 60 часов. Лучи рассеялись, проходя через ДНК, и дали изображение на пленке, подсказывая строение молекулы. Структура ДНК стала величайшей наградой для биохимиков, а фотография 51 была инструментом, который помог получить ее в 1953 г.

Темные пятна на фотографии 51 показывают, где рентгеновские лучи, преломленные повторяющимися элементами в молекуле ДНК, облучили пленку. Темные участки вверху и внизу – это основания ДНК, вместе составляющие генетический код.

Потенциал действия

С конца XVIII в. было известно, что нервные импульсы передаются благодаря электричеству, но оставалось загадкой, каков механизм возникновения электрического сигнала в нервной клетке.

Итальянский врач и биолог Луиджи Гальвани продемонстрировал в 1790-х гг., как нервы и мышцы стимулирует некая разновидность электричества. Впоследствии исследователи обнаружили, что если подвести электрод к мозгу, тело человека демонстрирует широкий спектр реакций. Например, на лице может возникнуть неестественное выражение. В 1875 г. Ричард Катон зафиксировал электрическое поле, которое генерировал мозг обезьян и кроликов. Но как возникали электрические импульсы?

Потенциал действия идет по аксону со скоростью около 150 м/сек.

Необъятная нервная ткань

Прорыв произошел, когда два английских исследователя, Эндрю Хаксли и Алан Ходжкин, стали изучать нервную систему кальмара. Животное выбрали за необычайно крупный аксон. Его диаметр составляет всего 0,5 мм, но длина равняется длине тела животного. Ученые изучили гигантский нерв с помощью метода фиксации напряжения. Они изменили напряжение аксона и зафиксировали, как это влияет на движение заряженных частиц, ионов, в нерв и из него. Хаксли и Ходжкин начали исследование в 1930-х гг., но им помешала Вторая мировая война. В 1952 г. они представили результаты. Ученые обнаружили, что нервная клетка, или нейрон, значительную часть времени бездействует, но при необходимости послать сигнал с помощью ионов калия, натрия и хлора создает резкий скачок электрического потенциала, который передается по аксону.

Потенциал покоя

Нейрон в неактивном состоянии считают пребывающим в покое. В этом состоянии у него отрицательный заряд внутри и положительный снаружи благодаря тому, что некоторые заряженные ионы могут проходить через полупроницаемую мембрану клетки, а другие нет. Отрицательно заряженные ионы хлора не могут покинуть клетку, создавая таким образом отрицательный заряд внутри. Положительно заряженные ионы калия свободно перемещаются через мембрану в любом направлении, а потому могут наполнить клетку и выровнять разницу зарядов с любой стороны. Кроме того, аксон пропускает положительно заряженные ионы натрия быстрее, чем проникают внутрь положительно заряженные ионы калия. Все эти перемещения требуют энергии, что отчасти объясняет, почему человеческому мозгу нужно 20 % запаса топлива тела. Питание необходимо мозгу, даже когда он, казалось бы, почти ничего не делает. Разница в напряжении внутри и снаружи аксона называется потенциалом покоя и составляет около –70 милливольт (мВ).

Химический стимул

Если аксон получает инструкцию отправить сигнал, химический стимул от нейрона открывает каналы в мембране аксона рядом с главной частью клетки. Открытые каналы позволяют положительно заряженным ионам натрия вернуться в клетку, изменяя потенциал в этой части аксона. Если потенциал превышает критический уровень в –55 мВ, процесс ускоряется, и открывается больше каналов для натрия. Тогда снаружи аксона наблюдается отрицательный заряд, а внутри – положительный. Итак, полярность поменялась. Затем система возвращается в нормальное состояние, ионы натрия выходят из аксона, и восстанавливается потенциал покоя. Но изменение полярности передается дальше по аксону, повторяя процесс снова и снова и создавая пик «потенциала действия». Пик – это нервный импульс, а потенциал действия двигательного нейрона заставляет мышцы сокращаться.

Алан Ходжкин в своей лаборатории в 1963 г. – в год, когда он получил Нобелевскую премию совместно с Эндрю Хаксли и Джоном Экклсом.

Двойная спираль

Открытие структуры ДНК было одной из самых сложных, но ключевых задач, над разрешением который бились биохимики. Когда она наконец поддалась, возникла совершенно новая наука.

К 1928 г. все научное сообщество согласилось с тем, что ДНК – это тот самый генетический материал, о котором писал Грегор Мендель. Теперь перед биологами встала важная задача: определить, каким образом компоненты ДНК передают наследственную информацию.

Команды соперников

К началу 1950-х гг. строение ДНК искали несколько исследовательских лабораторий. Разобраться с такой крупной и сложной молекулой было весьма нелегко. Наиболее надежным подходом для определения геометрии ДНК сочли использование рентгенокристаллографии. В Кавендишской лаборатории в Кембридже физик Фрэнсис Крик, после войны занявшийся биологией, объединил усилия с американцем Джеймсом Уотсоном: они попытались создать модель ДНК, используя все имевшиеся свидетельства. Уотсон и Крик были убеждены, что нашли ответ, когда предложили спираль из трех нитей с нуклеиновыми кислотами с внешней стороны молекулы и отрицательно заряженными фосфатными группами внутри. Но возникла проблема: многочисленные отрицательно заряженные фосфат-ионы в ядре отталкивались бы друг от друга и разорвали бы молекулу. Ученые предположили, что заряды уравновешиваются положительными ионами кальция или магния, и попросили Мориса Уилкинса и его ассистентку Розалинд Франклин из Королевского колледжа в Лондоне проверить предложенную модель. Франклин обозначила основную проблему: любые положительные ионы в ядре ДНК были бы окружены водой, и это не позволило бы им уравновесить разрушительное воздействие отрицательно заряженных частиц.

РОЗАЛИНД ФРАНКЛИН

Франклин, английский химик и специалист по рентгенокристаллографии, известна преимущественно своей работой над ДНК. В числе полученных ею изображений с преломлением рентгеновских лучей и фотография 51, которая выявила двойную спираль в основе молекулы и проложила дорогу генетике как науке. К сожалению, до того, как была широко признана ее роль в исследованиях ДНК.

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик (на фото) совместно с Морисом Уилкинсом получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1962 г. за открытие строения ДНК.

Окончательный прорыв

В мае 1952 г. Розалинд Франклин, наблюдая за преломлением рентгеновских лучей, получила изображение ДНК. Одно из этих изображений – знаменитая фотография 51 – показало, что ДНК состоит из двух нитей, вытянутых по спирали, что это двойная спираль. Морис Уилкинс показал фотографию Джеймсу Уотсону. С ее помощью Уотсон и Крик составили новую модель ДНК, о которой и сообщили в следующем году.

Два продольных края спирали, напоминающей веревочную лестницу, состоят из рибозы и соединяются фосфатами. Пары нуклеотидов образуют «ступеньки» лестницы. Их названия – производные от имен четырех азотистых оснований, и каждое из них связывается строго с заданным «партнером»: цитозин – с гуанином, а тимин – с аденином. В модели Уотсона и Крика использовался код, где цитозин, гуанин, тимин и аденин были представлены буквами CGTA. Так, ген – это нить ДНК с уникальной последовательностью оснований. Открытие ученых заложило основу для новой науки, генетики, но все же оставляло и много вопросов. Хотя сегодня о ДНК известно куда больше – как она наследуется и каковы ее функции, – механизмы, которые претворяют код в жизнь, формируют наши тела, до конца не изучены.

Молекула ДНК, как известно сегодня, похожа на веревочную лестницу, скрученную по всей длине. Ступеньки образованы парой нуклеотидов, соединенных водородными связями.

Экологическая ниша

Экологическая ниша – это место, которое растение, животное или другой организм занимает в среде. Также это его роль в ней

Зоолог британского происхождения Джордж Эвелин Хатчинсон – его иногда называют отцом экологии, – который работал в Йельском университете, стремился применить к экологии всеобъемлющий, строгий научный подход: он принимал во внимание все процессы, текущие в экосистемах – и физические, и химические, и геологические. В 1957 г. он определил экологическую нишу как многомерную, причем число измерениий равно n. Измерения – это природные факторы, которые позволяют видам выжить. Ученый предположил, что роль организма состоит в том, как он кормится, воспроизводится, находит укрытие и взаимодействует с другими формами жизни и неодушевленной средой. Работа Хатчинсона вдохновила других ученых на изучение разнообразия ресурсов, которые использует один вид (ширина ниши), различных способов использования окружающей среды конкурирующими видами для сосуществования (разделение ниши) и пересечений в использовании ресурсов разными видами (перекрытий).

Волоклюй собирает клещей со шкуры буйвола. У этих животных разные потребности, но они тем не менее делят одну среду обитания.

Биофизика

Биофизика – это один из способов с точки зрения физики взглянуть на биологические системы. Открытия в биологии последних лет невозможно представить без значительного вмешательства со стороны физиков.

Биология и физика всегда имели много точек соприкосновения, но термин «биофизика» был использован только в 1892 г. Дисциплину же с таким названием признали только в 1958 г. – тогда в США было основано Биофизическое общество. Биофизики изучают жизнь на всех уровнях: от атомов и молекул до строения и поведения клеток, организмов и сред обитания. С помощью методов, разработанных для описания физических процессов, они отвечают на вопросы биологии, которые сложно решить по-другому. Например, структура ДНК была распознана с помощью рентгеновских лучей – инструмента физиков. Сегодня биофизиков занимают такие вопросы: каким образом квантовая физика применима к метаболизму, особенно при фотосинтезе? какую механическую функцию в клетках выполняют белки и как их можно использовать в других местах? как биологические нейронные сети используют коды для передачи сообщений?

Тандем атомной физики и биологии позволяет ученым понять, как сложные белки, подобные этому аденовирусу, реагируют на химические вещества.

Центральная догма

Центральная догма молекулярной биологии объясняет, как генетическая информация проходит по организму. Догму сформулировал в 1958 г. Фрэнсис Крик, один из ученых, открывших строение ДНК.

Фрэнсис Крик, один из открывателей спиральной структуры ДНК, показал, что генетическую информацию можно записать кодом из четырех букв, обозначающих последовательность четырех азотистых оснований: аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G). ДНК – это хранилище информации. Но информации о чем? В 1955 г. ученые обнаружили, что генетический код – это инструкция для выстраивания белков определенным образом. Их клетка использует в качестве ферментов или других функциональных химических веществ. Белки – сложные полимеры, состоящие из длинных цепочек, включающих несколько десятков аминокислот. Код каждого гена транслирует уникальную последовательность аминокислот. Крик охарактеризовал процесс превращения генов в белки как догму, чтобы подчеркнуть тот факт, что генетическая информация поступает только в одном направлении: данные, хранящиеся в коде ДНК, передаются клетке при помощи РНК, которая выстраивает, или синтезирует, конкретный белок. Но при этом состав белка никогда не используется для кодирования ДНК. Кроме того, центральная догма применима ко всем формам жизни: код и система расшифровки универсальны.

ТИПЫ РНК

В клетке существует множество типов РНК, но центральная догма опирается только на четыре из них. Матричная РНК (мРНК) кодирует последовательность аминокислот в белке. Транспортная РНК (тРНК) переносит аминокислоты к рибосомам во время расшифровки. Рибосомная РНК (рРНК) с рибосомными белками формирует рибосомы. И, наконец, низкомолекулярная ядерная РНК (няРНК) образует комплексы с белками, которые используются при обработке РНК. Такая РНК встречается только у эукариотических организмов.

Центральная догма – это многоэтапный процесс, в ходе которого информация от ДНК в ядре передается фабрикам по производству белка – рибосомам.

Поговорим о процессе

Передача информации начинается с транскрипции. В ядре клетки спираль ДНК разделяется на две отдельные нити. При этом только одна из них содержит генетическую информацию, вторая нить – это ее незакодированное зеркальное отображение. Незакодированная нить становится шаблоном для создания соответствующей нити мРНК (матричной РНК), которая явлется копией кода, или смысла, нити ДНК.

мРНК покидает ядро и движется к рибосоме, где расшифровывается и преобразуется в белок. Рибосома состоит из двух частей, основу которых составляют сложенные молекулы РНК. мРНК пронизывает все части рибосомы. Она проходит через три основания за раз. Каждое такое сочетание составляет кодон, и каждый кодон соотносится с конкретной аминокислотой в белке. По мере прохождения мРНК через рибосому кодоны считываются антикодоном трех оснований в молекуле транспортной РНК (тРНК). Роль тРНК – подтягивать следующую аминокислоту к цепи. Так, шаг за шагом, выстраивается белок.

КОДОНЫ

Кодон – это последовательность трех нуклеотидов, соответствующая конкретной аминокислоте. Существуют кодоны для сигналов «старт» и «стоп», по которым начинается и заканчивается синтез белковой цепи. Молекулы ДНК и РНК кодируются при помощи четырех символов. Существуют 64 возможных кодона, большинство из которых кодируют одну из 20 аминокислот, составляющих белки. На каждую кислоту приходится больше одного кодона. Кодоны содержат ключ, при помощи которого язык ДНК из 4 символов транслируется на язык белков из 20 символов. Идею о триплетном коде выдвинул физик-ядерщик Георгий Гамов, более известный своей теорией Большого взрыва. Построение Гамова уточнили – и нашли шифр от генетического кода.

Поведение животных

Изучение поведения животных в дикой природе называется этологией. Эта наука пытается объяснить, чем обусловлены те или иные поведенческие особенности отдельных особей или биологических сообществ.

Поведение животных завораживало зоологов веками, но этология как научная дисциплина, как считают, зародилась в 1930-х гг. Все началось с работы голландского биолога Николаса Тинбергена и его австрийских коллег Конрада Лоренца и Карла фон Фриша. Все трое впоследствии стали лауреатами Нобелевской премии. Работа Тинбергена 1963 г. «О целях и методах в этологии» ставила четыре вопроса, на которые, как он утверждал, необходимо ответить, чтобы понять поведение животных: какие стимулы провоцируют поведение? какие преимущества получает животное благодаря своему поведению? как меняется поведение в течение жизни животного? как характерное поведение формируется у вида?

Шимпанзе, чайки и гусята

Джейн Гудолл, вероятно, самый известный специалист по поведению животных. 55 лет она занималась доскональным изучением социальных взаимоотношений шимпанзе в Танзании, и ее работы на эту тему полностью изменили наше представление о приматах. Она обнаружила, что социально обусловленное поведение шимпанзе очень разнообразно; ей же принадлежит знаменитое наблюдение, что шимпанзе обладают ярко выраженными характерами, что они обнимают и щекочут друг друга. Возможно, самое замечательное открытие заключается в том, что шимпанзе не только используют, но и изготавливают орудия. Гудолл видела, как обезьяна втыкала пучки травы в ходы термитника, а затем вынимала их: термиты покрывали пучок, и обезьяна поедала их. Шимпанзе также срывали ветки с деревьев и обдирали листья, чтобы было удобнее их использовать. Николас Тинберген наблюдал, что птенцы серебристых чаек ударяют клювом по красному пятну на клюве родителей, чтобы те срыгнули пищу. Конрад Лоренц знаменит своими исследованиями импринтинга – феномена, когда молодые животные, например гусята, копируют действия своих родителей.

Работа Николаса Тинбергена «О целях и методах в этологии» закрепила за этой областью исследований роль серьезной научной дисциплины.

Джейн Гудолл изучала поведение шимпанзе в Национальном парке Гомбе-Стрим в Танзании с 1960 по 1975 г. Позже она создала Институт Джейн Гудолл и продолжила работу с этими животными.

Кладистика

Кладистика – это метод классификации животных и растений по общему признаку, который прослеживается до самого близкого общего предка, но отсутствует у более далеких предков.

Научные методы позволяют установить, что у членов группы с общими признаками есть общая история, а следовательно, они относительно тесно связаны. Изыскания такого рода находятся в ведении кладистики. Ее начала были заложены в том числе британским зоологом Питером Чалмерсом Митчеллом в начале ХХ в. Немецкий исследователь Вилли Хенниг более подробно описал принцип подхода в работе, опубликованной в 1950 г. В 1966 г. она была переведена на английский язык, и только тогда метод приняло международное сообщество таксономистов. По меньшей мере до конца 1970-х гг. с кладистическим подходом соглашались не все. С его методологией пыталась поспорить фенетика, приверженцы которой классифицировали виды в согласии с их морфологией, то есть внешний видом, но без опоры на наследственность. Фенетический анализ может привести к ошибке из-за процесса конвергенции, который обусловливает возникновние внешне похожих, но близко не связанных особей. Примером могут служить вилорогие антилопы Северной Америки и европейские антилопы. Кладистика лучше (хотя и не полностью) застрахована от этой ошибки. Генетический материал видов анализируется, и на основе этих данных составляют аккуратные древовидные схемы, или кладограммы.

Кладограммы – это схемы, отражающие взаимоотношения между различными группами живых существ, или кладами (от греч. κλάδος – ветвь). Они восстанавливают историю эволюции, или фитогенез, группы организмов. Ниже показан фитогенез трех крупных клад: вторичноротых, куда входят и позвоночные; линяющих, в том числе ракообразных и насекомых; спиральных, к которым относятся многие моллюски.

Симбиогенез

Исследования ДНК показывают, что первыми формами жизни были прокариоты, бактерии и археи, клетки которых довольно мелки и примитивны. Теория симбиогенеза предполагает, что более крупные и сложные клетки, протисты и многоклеточные организмы появились, когда прокариоты стали объединяться в группы.

Симбиоз – феномен, когда два разных вида извлекают выгоду от сосуществования. В 1967 г. американский генетик Линн Маргулис выдвинула удивившую многих теорию о том, что эукариотические клетки с их сложными внутренними структурами развились из неродственных им прокариотов, образовавших группы. Митохондрии и хлоропласты в эукариотических клетках, как заметили еще в 1910 г., похожи на бактерии – отсюда и вывод. Более поздние открытия показали, что эти органеллы содержат собственные ДНК. Анализ ДНК митохондрий, которые находят почти во всех живых клетках, доказал их сходство с протобактериями, также известными как несерные пурпурные бактерии. Это многочисленная группа прокариотов: некоторые из них вызывают заболевания, а прочие – это азотфиксирующие бактерии в почвах. Хлоропласты в клетках растений в свою очередь близко связаны с цианобактериями, или сине-зелеными водорослями. Это были первые фотосинтезирующие организмы.

Исключение из правил

Идея Маргулис известна как симбиогенез, или эндосимбиотическая теория, ведь составные элементы клетки зависят друг от друга. Но, возможно, все начиналось совсем не так. Инородные микроорганизмы могла поглотить более крупная клетка в качестве пищи, они также могли быть паразитами. ДНК в ядре эукариотов ближе к ДНК археи, а не бактерии, поэтому предполагается, что клетка, которая сформировала укрытие для эндосимбионта, была археей, мембрана которой разраслась и усложнилась.

Первая эукариотическая клетка появилась по меньшей мере 1,5 млрд лет назад. Считается, что этот процесс увенчался успехом только однажды. Все протисты, грибы, растения и животные произошли от одной этой клетки. Считается, что первый эукариот кормился другими организмами и не использовал фотосинтез. Он дал начало грибам и животным. Фотосинтезирующий хлоропласт возник позже, и с него началась история растений.

Симбиогенез потенциально может включать следующие этапы. 1) Прокариотическая клетка, вероятно архея, увеличивается, на ее мембране формируются складки, за счет которых растет площадь ее поверхности. 2) Складки отделяются от мембраны клетки и формируют мембрану вокруг ядра, где хранится генетический материал, – так образуется эндоплазматический ретикулум. 3) Терпимые к кислороду несерные пурпурные бактерии проникают внутрь и выживают. Они способны размножаться и сохраняться при делении клетки. 4) Бактерия использует кислород производства энергии для клетки – как примитивная митохондрия. 5) Цианобактерия попадает в клетку и начинает производить сахар á с помощью фотосинтеза. Клетка приобретает сходство с растительной.

Родственный отбор

Выражение «эгоистичный ген» часто встречается в популярных книгах по биологии. Это не означает, что все организмы эгоистичны. Термин появился, когда ученые пытались объяснить, почему животные иногда помогают друг другу.

Иногда животное ведет себя парадоксально: увеличивает шансы на выживание менее приспособленных особей, но лишает себя возможности успешно воспроизводиться. Например, львица выхаживает чужих львят, а рабочие пчелы, защищая колонию, обрекают себя на гибель, нападая на противника. В конце 1960-х гг. британский биолог Уильям Д. Гамильтон придумал концепцию генетического родства, объясняющую подобный альтруизм. Ученый утверждал, что демонстрируемый альтруизм помог выжить и укорениться генам, общим для этих животных. Концепция получила название кин-отбор, или родственный отбор.

В семье

Гамильтон вывел формулу, согласно которой альтруизм это r × В > C, где r – степень генетического родства между двумя животными (пропорция общих генов), В – выгода (численность потомства), полученная тем, на кого направлен альтруизм, и С – цена (численность нерожденного потомства), которую платит альтруист. То есть, по правилу Гамильтона, гены, которые уменьшают шансы особей на размножение, могут распространиться в популяции, если величина вклада в размножение других особей больше цены помощи. Это означает, что особь производит больше копий своих генов, не тратя ресурсов на самостоятельное размножение. Биолог-эволюционист Ричард Докинз популяризировал этот взгляд на естественный отбор в своей книге 1976 г. «Эгоистичный ген». Книга описывает естественный отбор с точки зрения генетики и утверждает, что организмы – только носители и распространители генов. Этой цели служат и все анатомические признаки, и поведение, в том числе альтруистическое.

Здесь показано, какое количество генетического материала общее для вас и ваших родственников. Четвероюродные братья и сестры так же близки вам, как и посторонний человек – с точки зрения генетики.

Прерывистое равновесие

Согласно этой теории, организмы развиваются нерегулярно – в периоды стремительных изменений в части популяции. В результате новый вид ответвляется от своего прямого предка.

Прерывистое равновесие обычно противопоставляют теории филетического градуализма, которая предполагает, что в ходе эволюции целый ряд поколений трансформируется постепенно. Детально изучив палеонтологическую летопись, Найлз Элдридж и Стивен Джей Гулд в 1972 г. выдвинули теорию прерывистого равновесия. Палеонтологи утверждали, что виды имеют тенденцию неожиданно появляться в каменных пластах и затем оставаться почти неизменными, то есть статичными. Значительные перемены ограничены довольно тесными временными рамками и приводят к отпочковыванию новых видов от родительских. Некоторые неверно истолковали теорию и решили, что внезапные перемены случаются в одном поколении и распространяются на следующее Однако имелось в виду, что эволюционная вспышка охватывает нескольких десятков тысячелетий, что очень немного в контексте геологической шкалы.

ГИПОТЕЗА ЧЕРНОЙ КОРОЛЕВЫ

Теория, предложенная Ли Ван Валеном в 1973 г., отсылает к цитате из книги Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье». Черная Королева говорит Алисе: «…здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте» (пер. Н. Демуровой). Согласно гипотезе, организмы должны постоянно адаптироваться и развиваться, чтобы только выжить в состязании с постоянно адаптирующимися конкурентами, иначе они вымрут. Гипотезу также называют «эволюционной гонкой вооружений».

Филетический градуализм предполагает, что виды постепенно развиваются (извилистые линии) и медленно разветвляются. Согласно теории прерывистого равновесия, виды почти не меняются (прямые вертикальные линии), а новые виды появляются в ходе эволюции лишь временами (горизонтальные ответвления).

Неровный ритм перемен

Мысль о том, что темп эволюции меняется, не нова. Дарвин признавал, что одни виды развиваются быстрее, а другие медленнее. В 1950-х гг. Эрнст Майр писал о «генетических революциях», происходящих, когда небольшая популяция оказывается изолированной, и изменения из-за генетической мутации начинают доминировать – если они выгодны. Гулд и Элдриж развили эту идею и предположили, что постепенные эволюционные изменения редки в геологической летописи, и когда вид закрепился, он имеет тенденцию оставаться в состоянии покоя. Не все палеонтологи поддерживают эту теорию, но никто не отрицает, что статичность вида – распространенное явление. Имеются даже особенно яркие примеры, такие как папоротник Osmunda claytoniana, который остается неизменным уже в течение 180 млн лет, и лингулы из отряда плеченогих, которые практически не менялись уже 500 млн лет.

Генная инженерия

Манипуляции с геномом живого организма с помощью биотехнологий называются генной инженерией. Она подразумевает перемещение генов внутри видов и за их пределы для создания усовершенствованных или абсолютно новых организмов.

Люди тысячелетиями меняли геномы животных с помощью селективного разведения, но это процесс медленный и неточный. Когда ученые осознали роль ДНК, они стали искать способы манипулировать ею. В 1972 г. Пол Берг объединил ДНК вируса обезьяны с ДНК фага лямбда и создал «трансгенный» вирус. Два года спустя Рудольф Йениш вывел трансгенных мышей, поместив в клетки их эмбрионов ДНК ретровируса (который воздействует на ДНК хозяина). Это были первые генетически сконструированные млекопитающие. Ученые также стремились сделать посевы более устойчивыми к холоду и заболеваниям. Первые испытания генетически измененных растений прошли в 1986 г.: биологи вывели табак, устойчивый к гербицидам (то есть веществам для уничтожения определенных видов растительности). Несмотря на разногласия, к 2009 г. 11 трансгенных зерновых выращивались в коммерческих целях в 25 странах.

Рудольф Йениш – поинер в области создания генномодифицированных организмов. Он впервые модифировал мышь и с тех пор использовал этих животных для поиска способов борьбы с неврологическими заболеваниями и раком.

Ученые использовали ген медуз в качестве маркера – чтобы понять, успешна пересадка гена эмбрионам мышей. Ген отвечает за производство белка, благодаря которому медузы имеют зеленоватое свечение. Ген прижился, и от органов и тканей мышей стало исходить флуоресцентное свечение.

Процедура генной модификации предполагает изолирование нужного гена. Затем его либо вводят с помощью вируса, который проникает в клетку-мишень и выпускает ДНК, либо используют так называемую генную пушку – с ее помощью облучают клетки огромным числом ДНК, удерживаемых крошечными частичками золота. Большинство ДНК и клеток погибают, но некоторые попадают в клетку невредимыми и внедряются в ее ядро.

Множество применений

Генная инженерия нашла применение в медицине, сельском хозяйстве, промышленности и фундаментальной науке. Наиболее успешно технология применяется в медицине: в мире налажено массовое производство белкового инсулина, используемого для контроля над диабетом. Ген, присущий инсулину человека, вводится в плазмиды бактериальных клеток, и затем выращиваются бактерии. Каждая бактерия производит малый объем инсулина, но миллиарды бактерий могут дать нескончаемый запас. Генная инженерия также использовалась для создания антибиотиков, например пенициллина, и вакцин. Генетики «доработали» генетический код зерновых для повышения их сопротивляемости вредителям, заболеваниям, сложным природным условиям и гербицидам.

Гипотеза Геи

Гипотеза Геи была высказана британским ученым Джеймсом Лавлоком. Согласно ей, живое и неживое на Земле образует систему, подобную единому, цельному организму.

Лавлок изложил эту гипотезу в книге 1979 г. «Гея: новый взгляд на жизнь на Земле». Она получила свое название в честь древнегреческой богини Земли Геи – по совету Уильяма Голдинга, друга Лавлока и автора «Повелителя мух». Согласно гипотезе, биосфера оказывает регулирующее воздействие на планету и помогает поддерживать развновесие. В 1961 г. Лавлок работал в НАСА над приборами для анализа атмосфер планет и спутников в преддверии высадки на Луну и на Марс. Ученый размышлял о перспективе жизни на Марсе и вдруг задумался о том, как функционирует биосфера Земли. Гипотеза Геи постулирует, что наша планета способна на саморегуляцию: на ней не прекращается взаимодействие между живыми организмами и неживой средой, например почвой, воздухом и морем. Подобно тому, как тело человека регулирует температуру, уровень жидкостей, сахара в крови, чтобы поддерживать жизнь, сама планета следит за своими ключевыми параметрами. Работая в НАСА, Лавлок заметил, что хотя пропорции газов в атмосфере Земли постоянно меняются – в отличие от состава газовой оболочки Марса и других планет, – колебания минимальны и на протяжении всей истории Земли оставались в узких рамках. Лавлок принимал за аналогичные стабильные показатели глобальные температуры и уровень соли в океане, но предложенные им механизмы саморегуляции сложно проверить. В любом случае многие сочли привлекательной его идею о том, что Земля – это сложная система, напоминающая живой организм.

МАРГАРИТКОВЫЙ МИР

В 1983 г. Лавлок создал компьютерную симуляцию планеты под названием Маргаритковый Мир. Там было только две формы жизни: черные маргаритки, которые впитывали тепло Солнца и нагревали поверхность планеты, и белые маргаритки, которые отражали тепло в космос. Пропорции маргариток колебались в зависимости от температуры в Маргаритковом Мире. Обилие черных цветов согревало планету: они притягивали тепло и давали таким образом возможность процветать белым маргариткам, которые отводили лишний жар. Увеличение численности белых цветов планету охлаждало, обеспечивая процветание черным маргариткам.

Согласно гипотезе Геи, способность планеты к саморегуляции ослабляет негативный эффект от вмешательства человека в окружающую среду.

Джеймс Лавлок утверждал, что искусственное изменение климата приведет к повышению температур, повышению уровня моря и засухе в некоторых частях мира. По его прогнозам, в XXI в. значительная часть планеты станет необитаемой.

Наука или спиритуализм?

Теория Лавлока вызвала отторжение у научного сообщества. По мнению большинства ученых, Лавкок назвал Землю более совершенной формой жизни, своего рода суперорганизмом. Сам Лавлок был осторожен в заявлениях. Его гипотеза предполагает, что планете присущ ряд характеристик живых организмов, хотя она отнюдь не является одним из них. В искаженном виде гипотеза глянулась тем, кто разглядел в ней научное обоснование спиритуализма, вдохновленного Землей. Поэтому реакция контркультуры была куда более благосклонной. Гипотеза вдохновила и многих специалистов по охране окружающей среды. Сторонники гипотезы Геи, как и многие экологи, по сути, утверждают, что современная цивилизация нарушает баланс на планете, и призывают помочь Земле восстановить его.

«Молекулярные часы»

Эволюцией движут генетические мутации. Они же – главная причина изменчивости, которую определяет естественный отбор. «Молекулярные часы» по степени мутации определяют, когда у организмов были общие предки.

«Молекулярные часы» отсчитывают время, ориентируясь по мутациям, накопившимся в определенных генах, общих для большого числа организмов. Мутации возникают случайным образом у отдельных особей и в основном представляют собой химические изменения в ДНК. Они не влияют на выживаемость организма, но тем не менее свидетельствуют о связях – организмы с данной мутацией связаны ближе, чем организмы с другим геном. В 1970-х гг. биолог Мотоо Кимура предположил, что мутации накапливаются с определенной скоростью. Исходя из этой скорости можно примерно определить период, когда два ряда поколений имели общего предка. Скорость мутаций меняется, и «часы» не очень точны, но генетики могут калибровать их для конкретных групп организмов и намечать периоды крупных эволюционных событий, отсутствующих в палеонтологических летописях.

С помощью «молекулярных часов» можно сравнить, как в разных генах накапливались мутации, и определить, когда один вид отделился от другого.

Массовое вымирание

При массовом вымирании аномально большие количества видов растений и животных исчезают за относительно короткий промежуток времени.

Самое известное массовое вымирание подвело черту под эрой динозавров около 66 млн лет назад. Его называют мел-палеогеновым, или мел-третичным, вымиранием, так как оно имело место в конце мелового – начале палеогенового периода. Считается, что, кроме исчезновения преобладавших некогда динозавров, вымерло примерно три четверти видов, в том числе последние из летающих птерозавров, а также аммониты и многие цветущие растения.

О причинах вымирания давно спорят. В 1980 г. группа исследователей во главе с лауреатом Нобелевской премии физиком Луисом Альваресом, его сыном, геологом Уолтером Альваресом, и химиками Франком Асаро и Хелен Вон Мишель сделали удивительное открытие. По всему миру в слоях осадочных пород на границе упомянутых периодов концентрация иридия в сотни раз выше, чем в других местах. Иридий – очень редкий элемент, поэтому Альваресы сделали смелое заключение о том, что тот попал на планету вследствие падения астероида. При столкновении, утверждали они, поднялось огромное облако пыли, закрывшей солнечный свет и лишившей растения возможности осуществлять фотосинтез. Так началась долгая зима. Следовательно, сократилось количество пищи, доступной животным.

Десятилетием позже геологи подтвердили существование огромного кратера на побережье мексиканского полуострова Юкатан. Размеры кратера свидетельствовали о падении объекта, достигавшего в диаметре 10 км. Очевидно, что последствия должны были быть разрушительными, как и прогнозировал Альварес. Также есть основания полагать, что период повсеместной вулканической активности, породивший огромную базальтовую плиту в Южной Индии – известную как Деканские траппы, – также препятствовал доступу солнечного света на границе периодов.

Удар, вследствие которого образовался кратер Чиксулуб, по некоторым оценкам, был в миллиард раз сильнее взрыва атомных бомб, сброшенных на Нагасаки и Хиросиму. Поднявшиеся облака пыли, вероятно, заслонили Солнце на многие месяцы.

Великое умирание

Сколько бы видов ни затронуло мел-палеогеновое вымирание, оно было не самым крупным. Около 250 млн лет назад, в конце пермского периода, когда большинство живых существ Земли обитали в океане, погибли, по некоторым оценкам, около 96 % всех морских видов. Кроме того, вымерли 70 % видов наземных животных и растений. О биологическом разнообразии больше не было речи, и потребовались миллионы лет, чтобы жизнь вновь заявила о себе. В числе возможных причин – столкновение с астероидом, сильная вулканическая активность, сформировавшая Сибирские траппы, катастрофический выброс метана с морского дна, смещение океанических течений или сочетание всех упомянутых факторов.

Другие вымирания

Третье по охвату массовое вымирание произошло в конце ордовикского периода, 455–430 млн лет назад. Считается, что в результате резкого похолодания площадь ледников выросла, а уровень моря упал. Подобные изменения повлияли бы на сухопутные организмы, но еще сильнее – на морские. Больше других пострадали трилобиты, плеченогие и граптолиты. Противоречия вызывает исчезновение из палеонтологической летописи многих видов в конце девонского периода, то есть 375–360 млн лет назад. Возможно, это результат серии вымираний, а не одного массового вымирания. Катастрофически пострадали живые существа в мелких морях, а кораллам потребовались многие миллионы лет, чтобы восстановить разнообразие и численность. Морские обитатели, в том чиле брюхоногие, плеченогие, двустворчатые моллюски и головоногие, исчезли в конце триасового периода, около 200 млн лет назад. Вымерли многие земные позвоночные, а их место заняли динозавры.

КИСЛОРОДНАЯ КАТАСТРОФА

Цианобактерии в океане, вероятно, были первыми организмами, которые произвели кислород при помощи фотосинтеза. Миллионы лет выделяемый ими кислород соединялся с растворенным в океане железом и формировал окиси этого металла. Это видно по железистым отложениям в древних породах. Около 2,4 млрд лет назад накопился избыточный объем кислорода, и он стал поступать в атмосферу, что имело глубокие последствия. Кислород не могли переносить анаэробные организмы (в основном крошечные, как бактерии). Они были чрезвычайно многочисленны в те времена, а потому, вероятно, случилось одно из величайших массовых вымираний.

Слои железистых отложений заметны в докембрийских породах, относящихся ко времени кислородной катастрофы, то есть сформировавшихся около 2,4 млрд лет назад.

Трилобиты, многочисленные водные беспозвоночные, подверглись трем массовым вымираниям и наконец исчезли в конце пермского периода, около 251 млн лет назад.

Полимеразная цепная реакция

Этот недорогой и надежный метод используется для восстановления сегментов ДНК. С его помощью генетики диагностируют и наблюдают течение наследственных заболеваний, а также проводят ДНК-типирование.

Полимеразы – это ферменты, которые копируют ДНК при делении клеток. Методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), изобретенным Кэри Муллисом в 1983 г., обычно дублируют последовательности из 100–10 000 пар оснований ДНК. Так как часть реакции происходит при высоких температурах, ДНК-полимераза берется у термофильных, то есть теплолюбивых, бактерий. Сначала секция двойной спирали ДНК подогревается до 96 °C, чтобы разделить нити. Затем температуру снижают и размещают так называемые праймеры, отмечающие начало и конец последовательности для копирования. Наконец ДНК-полимераза воспроизводит недостающие основы в этой последовательности. Процесс многократно повторяется, и за четыре часа можно произвести миллиард копий.

Подготовка образцов ДНК для копирования в лаборатории ПЦР. Метод используется для диагностирования заболеваний, идентификации вирусов и бактерий, сопоставления образцов, найденных на месте преступления, и во многих других случаях.

Гомеозисные гены

Гомеобокс – это последовательность ДНК примерно из 180 пар оснований, задействованная в анатомическом развитии животных и растений.

В 1983 г. группы исследователей из Базельского университета в Швейцарии и Индианского университета в США, работавшие независимо, обнаружили, что гомеозисные гены играют важную роль в формировании тела. Гены кодируют белки, которые регулируют другие гены в процессе раннего развития эмбриона. Если в генах присутствуют мутации, части тела могут быть расположены неправильно. Например, у некоторых мутировавших фруктовых мушек есть лишняя пара крыльев, а у некоторых пара ног расположена на голове вместо антенн. Это происходит, если ген инструктирует клетки, формирующие антенны, сформировать вместо этого ноги. Австралийские ученые обнаружили мутацию гомеобокса, вызывающую умственную отсталость у людей. Теперь, желая исправить проблему, они пытаются выяснить, как мутации влияют на развитие.

Как у всех насекомых, у фруктовой мушки дрозофилы восемь гомеозисных генов.

ДНК-типирование

ДНК-типирование – это метод, который используется для идентификации индивида по образцу генетического материала. Он основан на уникальности строения ДНК. Сегодня это важный инструмент судебной медицины.

Британский генетик Алек Джеффрис экспериментировал у себя в лаборатории при Лестерском университете в 1984 г. Он заметил, что рентгеновские снимки образцов ДНК членов одной семьи (это была семья его лаборанта) демонстрируют множество сходств, хотя отмечены и определенными различиями. Он сразу увидел потенциальную пользу этого открытия для расследования преступлений. Хотя 99,9 % последовательностей ДНК у всех людей одинаковы, различий все же достаточно, а потому вполне возможно отличить одного человека от другого, если только они не однояйцевые близнецы. Например, если образец ДНК из крови или других тканей, взятый на месте преступления, сравнить с образцом, взятым из слюны или крови подозреваемого, можно определить, принадлежат ли они одному человеку.

Генетический профиль, или паспорт, показывает секции ДНК, в которых многократно повторяется одно и то же оснвание. Такие тандемные повторы обрабатывают и превращают в уникальный код, который, впрочем, схож с кодом близкого родственника.

Джеффрис и его команда начали разрабатывать метод генетической дактилоскопии, при помощи которого отслеживают чередования секций ДНК, называемые минисателлитами. Выделив несколько минисателлитов, уникальных для человека, генетическая дактилоскопия позволила с легкостью анализировать оцифрованные базы генетических данных. Сегодня используются даже более короткие секции ДНК, микросателлиты, или простые короткие тандемные повторы. В 1987 г. полиция, прибегнув к этому методу, смогла предъявить мужчине обвинение в убийстве двух девушек. Сегодня этот способ анализа ДНК используется во всем мире для установления отцовства и в работе криминалистов.

Биоразнообразие

Биоразнообразие – это множество животных, растений и других форм жизни на определенной территории или во всей биосфере Земли, включая разнообразие внутри вида, между видами и разнообразие экосистем.

Термин «биоразнообразие» ввел американский биолог Эдвард О. Уилсон в 1980-х гг. Концепция широко распространилась за пределы научного сообщества, поскольку в мире росло беспокойство о будущем биосферы Земли. Говоря общо, биоразнообразием следует считать общее число видов и подвидов организмов. (Подвиды – это генетически отличные популяции организмов, которые не сформировали достаточно уникальных признаков, чтобы считаться полноценным видом.) На данный момент описано около 1,9 млн форм жизни на нашей планете, в том числе более 1 млн насекомых, около 310 000 растений и 65 000 позвоночных. Млекопитающие составляют относительно небольшую долю – менее 5500 видов. Многие организмы еще предстоит открыть, и, хотя результаты подсчетов разнятся, общее количество видов на Земле оценивают в 8 млн. Наибольшее их количество проживает в девственных тропических лесах, тропических коралловых рифах и в Капской области в Южной Африке. Биоразнообразие всегда подвергалось воздействию природных (неантропогенных) факторов, в том числе изменениям климата, колебаниям уровня моря и даже столкновениям с астероидами, которые приводили к массовым вымираниям. Имеются данные, что деятельность человека – разрушение среды обитания, слишком интенсивное использование природных ресурсов для производтва продуктов питания, изменение климата, загрязнение окружающей среды и воздействие инвазивных видов – ведет к пиковому массовому вымиранию со времен динозавров.

Хотя тропические леса покрывают менее 2 % поверхности Земли, они являются домом примерно для половины всех известных видов живых организмов.

Биоразнообразие коралловых рифов невероятно, и оно находится под угрозой из-за повышения температуры воды. Здесь обитают более четверти океанических видов.

Домены

Линней разделил живых существ на два царства – растения и животные. Сегодня верхний уровень в классификации организмов – это домен, или надцарство. Большинство ученых согласны в том, что существует три домена, хотя некоторые склоняются к пяти.

Исторически различали пять царств всего живого: бактерии, вирусы, грибы, растения и животные. Американский микробиолог Карл Вёзе ввел понятие надцарства, или домена. В 1977 г. он обнаружил, что прокариоты (одноклеточные организмы без органелл) делятся на две группы: прокариоты, живущие при высоких температурах или выделяющие метан, имеют уникальные генетические признаки, отличающие их от бактерий и эукариотов. Так Вёзе открыл совершенно новую разновидность живых организмов – археи.

Упрощенная классификация Карла Вёзе с тремя доменами. Животные представлены всего одной из десятка родословных.

ЭКСТРЕМОФИЛЫ

В 1970-х гг. ученые стали находить организмы в средах, которые ранее считались враждебными. Большинство из них – это микроорганизмы, в частности бактерии, но встречаются также черви, насекомые и ракообразные. К числу экстремофилов относятся ацидофилы, процветающие в кислых средах, с pH = 3 или ниже (жидкостью с таким уровнем кислотности можно ожечь кожу). Гидротермофилы живут в воде с температурой выше 80 °C, рядом с гидротермальными выходами на дне океана. Другие встречаются глубоко под землей, под ледниками, в экстремально щелочных средах или у кипящих гейзеров.

Археи, бактерии и эукариоты

В 1990 г. Вёзе предложил подразделить все живые организмы на три домена, которые мы знаем сегодня, – археи, бактерии и эукариоты. Каждый домен отмечен характерной рибосомальной рибонуклеиновой кислотой (рРНК) внутри клеток. Все члены домена архей – крошечные одноклеточные организмы, в клетках которых отсутствует ядро. К археям относятся галофилы, выживающие в очень соленой воде, и гипертермофилы, переносящие высокие температуры. Клетки этих микроорганизмов адаптировались к суровым условиям. У бактерий ядро клетки тоже отсутствует, но структура их рРНК отличается от рРНК архей. Домен бактерий очень разнообразен и включает фотосинтетические цианобактерии и литотрофов, питающихся неорганическими веществами. Эукариоты составляют отдельный домен, куда входят растения, животные, грибы и одноклеточные протисты. Вирусы, не имеющие клеток, Вёзе в своей классификации не учел. Не все соглашаются с разделением на три домена. В 2012 г. шведский микробиолог Стефан Лукета предложил альтернативные пять доменов, добавив прионы (инфекционные белки) и вирусы.

Клонирование

Серия процессов, позволяющая получить генетически идентичные копии живого организма, известна как клонирование. Существует три метода. Первым клонированным млекопитающим стала овца по имени Долли. Это случилось в 1996 г.

В природе клоны встречаются часто. Например, растения и одноклеточные организмы, которые воспроизводятся бесполым путем, дают потомство с идентичным генетическим строением. Клонами друг друга являются и однояйцевые близнецы. Однако термин «клонирование» обычно применяют для обозначения методов получения искусственных копий генетического материала и организмов. Клонирование генов – это получение копий ДНК для использования в медицине и исследованиях. Известна польза терапевтического клонирования для медицины: с его помощью создают эмбриональные стволовые клетки. Такие клетки используются для строительства, поддержания и восстановления организма. Так как все это происходит естественным образом, их применяют для лечения поврежденных или зараженных органов. Тем не менее стволовые клетки одного человека, пересаженные другому, провоцируют иммунный ответ. Ученые рассматривают клонирование как способ создать стволовые клетки, генетически идентичные организму, который их использует. В будущем с помощью этих клеток можно было бы восстанавливать ткани и даже заменять органы целиком.

На рисунке показаны основные этапы репродуктивного клонирования, позволившего создать Долли. Клетку взяли из вымени биологической матери Долли. Ядро извлекли из яйцеклетки другой овцы. Затем ядро клетки матери Долли ввели в яйцеклетку и спровоцировали деление. Яйцеклетка – теперь уже эмбрион – была подсажена третьей овце, суррогатной матери. Долли родилась естественным путем в Рослинском институте в Эдинбурге, в Шотландии.

Овечка Долли родилась здоровой и впоследствии принесла шесть ягнят. Она прожила всего шесть лет и умерла от заболевания легких. Вероятно, болезнь возникла из-за того, что Долли проводила слишком много времени в помещении – она была очень ценной особью, и ее не могли оставить в поле. Однако было также высказано предположение, что хромосомы Долли старше ее – они не обновились, переходя от матери. Не исключено, что это стало причиной ранней смерти.

Овечка Долли

В репродуктивном и терапевтическом клонировании используют схожие методы, но первое нужно для «копирования» животного целиком. Самое знаменитое клонированное животное – овечка Долли, которая родилась в июле 1996 г. Проектом руководили генетики Иэн Уилмут и Кит Кэмпбелл. Он увенчался бесспорным успехом, но репродуктивное клонирование – это очень сложный процесс. Долли была единственной выжившей особью, хотя ученые предприняли 227 попыток. Другие эксперименты по клонированию проводили с рыбами, свиньями, кошками, крысами и верблюдом-дромадером. Ученые клонировали дикого быка гаура, находящегося на грани исчезновения, чтобы продемонстрировать возможности науки для увеличения популяций редких животных и даже воссоздания вымерших. Генетики берут образцы генетического материала у вымирающих животных в надежде, что в случае необходимости их можно будет клонировать.

Геном человека

Совокупность генов, заключенную в одинарном наборе хромосом, называют геномом. Наследственный материал человека представлен 23 парами хромосом – ДНК в ядре клетки и внутри митохондрий.

Участники проекта «Геном человека» смогли составить почти полную последовательность 3 млрд пар оснований в ДНК человека. Проект начался в 1990 г., тогда ученые взяли образцы ДНК у анонимных доноров, а около 70 % материала происходило от одного человека из Баффало, штат Нью-Йорк. Первый набросок опубликовали в 2001 г. Между геномами разных людей существуют значительные различия (это не касается однояйцевых близнецов), но они затрагивают только порядка 0,1 % всего генома (что эквивалентно нескольким миллионам различий). Расхождение между людьми и шипманзе, нашими ближайшими родственниками, составляет около 4 %. У людей около 19 000–20 000 генов, кодирующих белок, но биологическая функция их продуктов еще совершенно не изучена. Ученые ожидают, что, поняв назначение генов, они смогут спровоцировать развитие медицины и сделать революционные открытия в области хронологии эволюции человека.

Митохондриальная ДНК человека (мтДНК) могла бы еще больше рассказать о наших предках. Так как ее воспроизведение не так строго контролируется, как воспроизведение ДНК в ядре клетки, пропорция мутаций в ней куда выше. Анализ мтДНК позволил отследить тропы миграции человека. В 2016 г. исследование генома показало, что всех не-африканцев можно отследить вплоть до популяции, которая покинула Африку 60 000 лет назад.

Фрагмент генетической карты 16-й хромосомы, которая имеет около 90 млн пар оснований и соответствует примерно 3 % всей ДНК в клетках человека. 16-я хромосома содержит около 2000 генов.

Эпигенетика

Эпигенетика изучает, как проявление, или экспрессия, генов регулируется факторами окружающей среды. При этом последовательность ДНК не меняется, хотя новые признаки могут передаваться следующим поколениям.

Генетика произвела революцию и навсегда изменила биологию, но добавила и путаницы: можем ли мы сбежать от наших генов или все запрограммировано заранее? Затем появилась эпигенетика и запутала все еще больше. Центральная аксиома генетики заключается в том, что сам организм никогда не изменяет наследуемый генетический материал, или ДНК, которая кодирует наши гены. Что бы вы ни унаследовали от родителей, вы передадите это своим детям. Этот факт лежит в основе наших знаний о генах и фомирует некоторые взгляды на эволюцию, популяционную генетику и биологию развития. (Конечно мутации, или ошибки в генах, случаются, но это происходит при копировании непроизвольно или в результате внешнего воздействия, меняющего химию ДНК, а не по инициативе организма.)

В каждой человеческой клетке содержится от двух до трех метров ДНК. Это длинное и хрупкое химическое соединение нужно хранить очень бережно, и для этого природой придуманы гистоновые белки, благодаря которым ДНК сворачивается в компактные блоки. Строение гистонов и других поддерживающих химических веществ формирует эпигеном, который наследуется вместе с геномом.

ГОЛОДНАЯ ЗИМА

Зимой 1944–1945 гг. немецкая армия прекратила поставки продовольствия в Нидерланды, и начался голод. Голодная зима затронула 4 млн человек, и в послевоенные годы многих голодающих, а также их потомство обследовали, выявив долгосрочное воздействие на состояние здоровья. В результате появились одни из первых доказательств эпигенетического наследования.

Другими словами, генетика постулирует, что вы наследуете лишь генетические признаки ваших родителей, а не признаки, которые они приобрели за свою жизнь – например, развитые мышцы от поднятия тяжестей или мозоли на ногах из-за тесной обуви.

Эпигеном

Между тем новая область, названная эпигенетикой, предполагает, что в процесс наследования включается еще один элемент. Аксиома, приведенная выше, продолжает действовать, но приобретенные признаки могут оказывать влияние на то, как тело развивается и распоряжается генами, – и могут передаваться от родителей (по крайней мере от матери). Центральное место в теории занимает понятие «эпигеном». Термин обозначает огромное множество химических веществ, например белков-гистонов, окружающих ДНК и управляющих ею. Жизненный опыт – плохое питание, физические упражнения, перенесенные заболевания, – влияет на эпигеном значительным образом. В результате этого воздействия некоторые гены не используются клеткой, тогда как другие активируются – те, что в противном случае были бы «выключены». Геном передается от родителя потомству без изменений, а эпигеном, сопровождающий его, может категорически не совпадать с тем, который унаследовал сам родитель.

Последствия голода

Самое наглядное доказательство правоты эпигенетики получено в результате масштабных исследований семей на протяжении нескольких поколений. Одно из наиболее крупных предприняли после Второй мировой войны: ученые изучали следствия голодной зимы 1944 г. в Нидерландах. Обследование начали с детей, родившихся во время или сразу после голода. Также учли опыт их родителей, а затем детей тех детей, а вскоре и их внуков. Дети, родившиеся в тот период, выросли в основном невысокими и худыми (но совершенно здоровыми). Появившиеся сразу после голода – то есть большую часть голодного времени они находились в утробе – имели лишний вес и были склонны к психическим заболеваниям. Что удивительно, дети, родившиеся у этих двух групп, несли те же признаки, что и их матери. Судя по всему, недостаток питания отразился на матери, на развивающемся ребенке и на клетках девочек-младенцев, которые затем стали яйцеклетками и передались следующим поколениям. Голод повлиял на все три поколения – на мать, ребенка и внуков. Через несколько лет будут доступны данные о четвертом поколении. Как долго еще голод будет влиять на эпигеном?

Гистоновые белки, поддерживающие и организующие длинные нити ДНК в клетке, когда-то считались исключительно опорными конструкциями. Но эпигенетика предполагает, что они играют роль в наследовании, по крайней мере в краткосрочной перспективе.

Киборги

В научной фантастике киборги – полулюди-полумашины – были популярны с XIX в. Сегодня киборги стали реальностью, и механизмы заменяют части тела или дополняют их.

Искусственные конечности, слуховые аппараты и контактные линзы, восполняющие дефекты нашего тела, много лет используются в медицине. Микроэлектроника значительно расширила ее возможности. В 2001 г. в результате несчастного случая электрику Джесси Салливану ампутировали обе руки, и врачи реабилитационного центра в Чикаго превратили его в киборга: у него появилась роботизированная рука, которая управляется силой мысли. Нервы плеча Джесси, ранее контролировавшие мышцы руки, пересадили на мыщцы груди. Нерв получает импульс, посылаемый мозгом, заставляет мышцы сокращаться, и это считывают электроды. Они передают сигналы на компьютер в руке, и механизм двигает локтем и кистью. Киборги могут располагать также искусственными почками и желудком, сетчаткой и слуховой улиткой, компенсирующими зрение и слух, системами суставов и даже кожей.

Бабочка-киборг имеет на себе крошечный компьютер, который помогает исследователям измерять активность ее антенн при улавливании привлекательных для нее запахов. Возможно, удастся создать систему, которая сможет управлять бабочкой на расстоянии. Это был бы киборг-дрон.

Синтетическая биология

Синтетическая биология возникла на стыке биологии, химии, нано-инженерии и информатики. Она может воспроизводить и ускорять естественные процессы и даже создавать искусственные формы жизни.

Синтетическая биология рассматривает естественные процессы и пытается их усовершенствовать. Например, в результате фотосинтеза при участии солнечного света получается полезная химическая энергия. Но эффективность процесса мала – только около 1 % энергии света превращается в сахара́. Синтетическая биология ищет способы повысить эффективность. Так, искусственные водоросли или бактерии, снабженные белками модифицированных генов, могут стать источником органического материала, получаемого в результате фотосинтеза. И этот материал можно использовать для производства топлива или в качестве сырья для химической промышленности. Это один из способов сократить нашу зависимость от бензина, притом не придется выделять обширные угодья для выращивания растений – биологического топлива.

ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ

Искусственные нуклеиновые кислоты, такие как КсНК, основаны на химических веществах, которые могли существовать на заре жизни. Самые простые формы жизни – это нити РНК. РНК может выступать автокатализатором, то есть использовать себя в качестве шаблона для изготовления копии, или зеркального изображения, самой себя. Это примитивная форма репродукции. Как развивались РНК и ДНК – одна из величайших загадок биологии. Считается, что это последние сохранившиеся химические вещества в ряду похожих полимеров-автокатализаторов, сформировавшихся порядка 3,8 млрд лет назад. В период химической эволюции естественный отбор затронул и эти вещества. Биохимики синтезировали много подобных химических веществ, чтобы посмотреть, как они ведут себя. В основе разных КсНК лежат разные гипотезы о строении таких веществ.

Синтетическая биология однажды сможет наполнить клетки КсНК и создать совершенно новый домен живого. Кроме того, КсНК можно применять для генотерапии.

Специалисты в области синтетической биологии с успехом собирают искусственные клетки из частей, позаимствованных у других клеток. Они способны делиться и расти так же, как и настоящие. В 2012 г. биоинженеры разработали КсНК, или ксенонуклеиновую кислоту, – синтетическую версию ДНК, которая устроена так же, но куда прочнее. (ДНК чудесна, но очень хрупка.) Искусственная КсНК имеет более прочную химическую конструкцию, а все кодирующие элементы при этом остаются на своих местах. В перспективе организмы с КсНК смогут заселить места, недоступные живым организмам, несущим ДНК.

Астробиология

Есть ли жизнь за пределами Земли? На этот вопрос пытается ответить астробиология. Инопланетян мы пока не обнаружили, зато у нас есть длинный список мест, где потенциально может существовать жизнь.

В 1958 г. было создано НАСА, и одной из задач организации стали поиски жизни за пределами Земли. Оказалось, что найти свидетельства внеземной жизни чрезвычайно сложно, но ученым все же удалось изучить множество обстоятельств, помогающих поискам. Например, в 1977 г. рядом с гидротермальными выходами на дне океана были обнаружены ранее неизвестные процветающие популяции микроорганизмов. Считалось, что жизнь в таких условиях немыслима. Подобные находки в других экстремальных средах привели ученых к выводу, что жизнь все же может существовать за пределами Земли – например, под ледяной коркой океана на Европе, спутнике Юпитера. Исследователи нашли в космосе все необходимые для жизни химические вещества. Аминокислоты, главные «кирпичики» всего живого, были обнаружены в образцах с кометы Вильда: в 2004 г. рядом с ней прошел космический аппарат НАСА «Стардаст». Это означает, что необходимые «ингредиенты» есть везде: на планетах, спутниках и астероидах.

В Солнечной системе подобные земным организмы могли бы существовать также на Европе, спутнике Юпитера. Океан под ее ледяным панцирем могут населять питающиеся минералами микроорганизмы – вроде тех, что живут у гидротермальных скважин. Возможно, они были основой инопланетной пищевой цепочки.

КОСМИЧЕСКИЕ ЖУЧКИ

Тихоходки, или водяные медведи, – это микроскопические животные-экстремофилы. Они могут выжить почти везде. В сентябре 2007 г. обезвоженных тихоходок взяли на орбиту, и они стали первыми известными животными, выжившими в космосе. Несмотря на то, что они находились в космическом вакууме в течение 10 дней, через полчаса после возвращения их в водную среду на Земле более 2/3 вернулись к жизни.

Внеземную жизнь, вернее всего, откроют наши космические телескопы и роботы, отправляющиеся в далекий космос. Астрономы руководствуются идеей о том, что жизнь есть там, где есть вода. Таким образом, потенциал есть и у Европы, и у Энцелада, спутника Сатурна, где были замечены фонтаны изо льда и воды.

Астробиологи ищут жизнь и на планетах, обращающихся вокруг далеких звезд, или экзопланетах. Некоторые из них каменисты и отдалены от своей звезды как раз на то расстояние, которое позволяет воде оставаться жидкой. Ученым предстоит изучить атмосферу этих планет и поискать химические вещества, которые производят живые организмы. В 2021 г. НАСА запустит космический телескоп имени Джеймса Уэбба, который сумеет определить химический состав инопланетной атмосферы.

Content

Том Джексон
Взламывая биологию

Введение

Процесс обучения

Жизнь в природе

Цели биологии

Зверинец

Город зверей

Царские коллекции

Животные Аристотеля

Группы животных

Порядок вещей

Растения Теофраста

Панспермия

Пересмотр концепции

Преформизм

Возрождение преформизма

«Естественная история»

Информация истинная и ложная

Животворная сила

Травники

Бестиарий

«Этимологии»

Рождение бестиария

Мифические создания

Самозарождение

Поиск гомологов

Зоология

От древности к современности

Иллюстрации деталей

Вода и жизнь

Корни науки

Кровоснабжение

Путь к открытию

Метаболизм

Построить и сломать

Эмбрионы

Внутреннее развитие

Клетка

Палеонтология

«Зверьки»

Новые миры

Метаморфозы

Как это происходит?

И почему?

Ткани растений

От строения к функции

Анатомия цветка

Классификация

Масштаб перемен

Микология

Селекционное разведение

Ботанические сады

Зачем нужны ботанические сады?

Респирация

«Отец» химии

Воздух, замечательно пригодный для дыхания

Более поздние достижения

Фотосинтез

Свет, пролитый на проблему

Последующие достижения

Натуралисты

Животное электричество

Последующие достижения

Вымирание

Биогеография

В глубь времен

Ламаркизм

Согласие и споры

Динозавры

Мертвые или живые?

Зоологические сады

Новые направления

Сила жизни

Униформизм

Ферменты

Аэробное дыхание и пищеварение

Осмос

Клеточная теория

Клеточная теория

Свойства клеток

Функции клеток

Сердце

Две системы

Чередование поколений

Дарвинизм

Путешествие на «Бигле»

Естественный отбор

Предание огласке

Законы наследования Менделя

Переходящие факторы

Современный взгляд

ДНК

Консервация

Охрана природы в ХХ в

Биосфера

Микробная теория

Влияние промышленности

Патогенные организмы

Микробиология

Две группы

Круговорот азота

Система переработки

Хромосомы

Органеллы

Митохондрии

Другие органеллы

Ортогенез

Ненайденные тенденции

Вирусы

Открытие

Нападение на хозяина

Сукцессия

Генетика

Деление клетки

Нейроны

Собаки Павлова

Рефлексы и условная реакция

Прорастание семян

Модельные организмы

Как выбирают модельные организмы?

Успех модели

Биомы

Клеточная мембранна

Билипидный слой

Еще сложнее

Пищевые цепочки

Вверх по цепи

Лысенковщина

Эусоциальность

АТФ

Структура АТФ

Как работает АТФ

Гомеостаз

Температурный контроль

Рекомбинация

Механизм рекомбинации

Витамины

РНК

Типы РНК

Экосистемы

Что такое экосистема

Импринтинг

Лимоннокислый цикл

Топливо из пищи

Победитель

Дифракция рентгеновских лучей

Потенциал действия

Необъятная нервная ткань

Потенциал покоя

Химический стимул

Двойная спираль

Команды соперников

Окончательный прорыв

Экологическая ниша

Биофизика

Центральная догма

Поговорим о процессе

Поведение животных

Шимпанзе, чайки и гусята

Кладистика

Симбиогенез

Исключение из правил

Родственный отбор

В семье

Прерывистое равновесие

Неровный ритм перемен

Генная инженерия

Множество применений

Гипотеза Геи

Наука или спиритуализм?

«Молекулярные часы»

Массовое вымирание

Великое умирание

Другие вымирания

Полимеразная цепная реакция

Гомеозисные гены

ДНК-типирование

Биоразнообразие

Домены

Археи, бактерии и эукариоты

Клонирование

Овечка Долли

Геном человека

Эпигенетика

Эпигеном

Последствия голода

Киборги

Синтетическая биология

Астробиология