Помоги проекту - поделись книгой:
Владимир Фурсов
ТРИ ТАЙНЫ ЖИЗНИ
Введение
Биология, несмотря на огромные успехи, которые были ею достигнуты за весь период формирования, оставалась вплоть до второй половины XIX столетия на метафизических и идеалистических позициях. Основной причиной этого было то, что ученые и философы подходили к изучению живой природы как к отдельным разрозненным явлениям. Известный философ эпохи Возрождения Ф. Бэкон назвал биологию «Историей отдельных индивидов». Изучением «отдельных индивидов» занимались биологи, философы и более позднего периода, такие, как К. Линней, Ж. Б. Ламарк, Ж. Кювье, О. Кент, Г. Спенсер и др.
Такой подход приводил исследователей к представлению о постоянстве и неизменяемости живых организмов, о сотворении всего живого богом.
Из всех биологов прошлого только французский естествоиспытатель Ламарк пытался опровергнуть устоявшиеся взгляды и противопоставить им идею исторического развития организмов. Однако и он не смог полностью освободиться от господствующего мировоззрения. Не имея достаточно научных данных для доказательства естественного развития жизни на Земле, он вынужден был признавать бога в качестве первопричины и создателя всего сущего.
Поставить биологию на диалектико-материалистические основы удалось только Ч. Дарвину, который подошел к изучению живой природы как к совокупности тесно связанных между собой организмов. Его успеху содействовали предшествовавшие открытия, доказавшие единство строения живых организмов на клеточном уровне.
Изучение клетки на микроскопическом и особенно на молекулярном уровне уже в наше время позволило совершить величайшие открытия в области познания сущности жизни у самых истоков ее зарождения и развития. О трех величайших достижениях биологической науки, подвинувших нас вплотную к разгадке тайны жизни, и пойдет речь в данной брошюре.
Создатель эволюционной теории
Издавна внимание человека приковывали два бросающихся в глаза факта живой природы: это огромное разнообразие форм животных и растений и их приспособленность к условиям среды, в которой они обитают. Все мы знаем, что птицы прекрасно приспособлены к полету, а рыбы — к жизни в воде. Поистине поразительные обнаруживаются явления, когда мы начнем изучать различные способы опыления цветков с помощью насекомых или жизнь самих насекомых в различных условиях. Даже в расположении листьев на деревьях при внимательном наблюдении можно установить особую закономерность: листья расположены так, что всей своей поверхностью улавливают солнечные лучи и вместе с тем почти не затеняют друг друга.
Многообразие живых организмов и их гармоничное приспособление к условиям обитания религия с давних времен выдавала как доказательства существования «промысла божьего» и наличия в природе «мирового разума».
Один из «отцов церкви» — Блаженный Августин (354–430 гг.) — очень красноречиво воспевал гармонию в природе как неопровержимое доказательство промысла божьего. Он писал: «Бог установил соответствие частей и гармонию их не только на небе и на земле, не только в ангеле и человеке, но и во внутренней организации мельчайшего и презренного живого, в перышке птицы, цветении злака, в листьях дерева».
Телеологическое мировоззрение, опиравшееся на факты многообразия и «целесообразности» в природе, оказалось очень живучим среди ученых и философов.
Выразителем идей креационизма и телеологии в биологии был крупнейший французский палеонтолог и сравнительный анатом Ж. Кювье (1769–1832 гг.). Он имел огромное влияние на развитие научных и политических идей в первой половине XIX столетия и был ярым защитником господствующего класса — крупной буржуазии. Кювье обнаружил взаимосвязь (корреляцию) органов в животном организме. Эта корреляция, или «конструкция», органов в организме, по его мнению, заранее была продумана творцом. Кювье считал, что «творец всех существ в создании их мог руководствоваться только одним законом — необходимостью дать каждому из своих творений, которое должно продолжать жизнь, средства для поддержания существования». Установленный научный объективный принцип корреляции Кювье абсолютизировал, исходя из телеологического принципа конечных причин.
Последователи Ж. Кювье пошли еще дальше своего учителя. Так, французский палеонтолог XIX столетия д’Орбиньи говорит: «Ничто не может открыть нам тайну, которая связана с последовательными творческими актами эпох органического мира от первой до последней. Действительно, мы видим, что во всех пунктах земного шара сразу, одновременно появляется множество существ, принадлежащих всем основным типам животных… Как образовалось это множество существ, которые впервые появляются на поверхности земного шара? Что за творческая сила, имевшая столь необыкновенное могущество? Здесь мы должны признаться, что мы лишены всякой возможности ответить на какие-либо из этих великих вопросов. Существуют границы, которые не может преодолеть человеческий разум, — обстоятельства, при которых человек должен ограничиться признанием фактов, не будучи в состоянии объяснить их».
Не умея объяснить очевидного факта многообразия живых форм и их изменчивости во времени, д’Орбиньи утверждает, что земля претерпела двадцать семь катастроф, уничтожавших все живое, а за ними последовало столько же божественных актов творения. «Таков факт, — пишет д’Орбиньи, — факт несомненный, но непостижимый, который мы лишь устанавливаем, не пытаясь проникнуть в сверхчеловеческую тайну, его окружающую»[1].
Однако д’Орбиньи жестоко ошибся в своих пророчествах. Тайна природы была разгадана, вместе с тем была доказана несостоятельность «теории катастроф». Это было сделано великим натуралистом Ч. Дарвиным.
Дарвин с юных лет полюбил природу. В университете он слушал лекции крупных ученых того времени. Он много путешествовал по Англии и Шотландии, коллекционировал животных и растения, много читал о путешествиях в другие страны. Все это способствовало подготовке Дарвина как естествоиспытателя.
По окончании богословского факультета Кембриджского университета в 1831 году Дарвин был зачислен натуралистом на военно-гидрографическое судно «Бигль», отправлявшееся в кругосветное плавание. Это обстоятельство решительно изменило его жизнь: богослов по образованию, он стал естествоиспытателем, труды которого полностью опровергли библейский миф о сотворении мира. Путешествие на «Бигле» было подлинной школой для Дарвина. Во время многочисленных стоянок корабля у берегов Южной Америки, Австралии и многих островов Тихого океана Дарвин производил геологические, ботанические и зоологические наблюдения, палеонтологические раскопки, собирал различных представителей животного и растительного мира.
Уже во время путешествия у Дарвина зародилось сомнение в том, что мир животных и растений неизменен. Дарвин столкнулся со многими фактами, которые противоречили существовавшим религиозно-метафизическим представлениям о природе.
Бесспорный фактический материал, доказывающий развитие и изменчивость животных и растений, Дарвин получил при раскопках. Некоторые ископаемые животные из древних млекопитающих, ныне уже не существующие, обнаруживали целый ряд общих признаков с некоторыми живущими отрядами животных. Дарвина поразило сходство вымерших неполнозубых Южной Америки с современными ленивцами, муравьедами и броненосцами, встречающимися в той же местности. На основании тщательного сравнения вымерших форм с современными у Дарвина возникла мысль о их родственной связи.
С наиболее яркими географическими и палеонтологическими доказательствами эволюции животных и растений Дарвин столкнулся на Галапагосских островах. Острова эти расположены в экваториальной части Тихого океана, в семистах километрах от западного побережья Южной Америки. Они возникли вследствие поднятия морского дна. Животный мир их сравнительно беден. Из птиц имеются мухоловки, вьюрки, дрозды-пересмешники, совы; из пресмыкающихся — морские ящерицы и очень крупные, достигающие ста килограммов, так называемые слоновые черепахи. Млекопитающих на этих островах нет. Дарвина поразили две особенности этих животных: с одной стороны, все они похожи на соответствующих животных южно-американского континента и как бы несут на себе «печать американского происхождения» (Дарвин), а с другой — это особые, галапагосские, формы, которые нигде в другом месте земного шара не встречаются. Животные Галапагосских островов являются как бы вариантами американских видов. По этому поводу Дарвин замечает: «Можно действительно представить себе, что был взят один вид и модифицирован в разных концах архипелага».
Возвратившись из кругосветного путешествия, Дарвин продолжал искать подтверждения сделанным наблюдениям, накапливал материал, собирал и обрабатывал многочисленные факты, на что ему потребовалось более двадцати лет. Первую запись об изменчивости видов мы находим в записной книжке Дарвина за 1837 год и только через двадцать два года была обнародована теория эволюции.
14 ноября 1859 года вышел в свет труд Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствующих пород в борьбе за жизнь», открывший новую эру в развитии биологии и естествознания вообще. Книга эта вскоре была переведена на многие иностранные языки.
Вокруг теории Дарвина разгорелась ожесточенная борьба. Духовенство, религиозно настроенные ученые (а их тогда было большинство) пытались опровергнуть, опорочить это учение, а его автора объявили безнравственным человеком. Дарвин продолжал самоотверженно работать. Все последующие его труды были всесторонним развитием идеи эволюции живой природы.
Учение об отборе
Изменчивость животных и растений, которую Дарвин подметил во время путешествия, произвела на него, как он сам говорит, сильное впечатление. Вернувшись в Англию, Дарвин стал собирать факты, имевшие отношение к явлениям изменчивости животных и растений как в прирученном, так и в естественном состоянии.
Ученый обратился к практике сельского хозяйства, откуда почерпнул громадный фактический материал. К тому времени было известно много пород голубей, кур, собак, крупного и мелкого рогатого скота, большое число сортов культурных растений.
До Дарвина ученые думали, что современные породы домашних животных и культурные сорта растений человек просто выделил, выбрал в готовом виде из дикой природы, сообразуясь со своими хозяйственными потребностями. Дарвин доказал, что в действительности все современные породы домашних животных и культурные сорта растений не выделены, а созданы человеком. По этому поводу он писал следующее: «Мы не можем допустить, чтобы все породы возникли внезапно такими совершенными и полезными, какими мы видим их теперь; к тому же во многих случаях мы знаем достоверно, что не такова была их история. Ключ к объяснению заключается во власти человека накапливать изменения путем отбора: природа доставляет последовательные изменения; человек слагает их в известных, полезных ему направлениях. В этом смысле можно сказать, что он сам создал полезные для него породы»[2].
Все наши домашние животные и важнейшие культурные растения человечество приручило и разводило еще в глубокой древности. Дарвин собрал неопровержимые доказательства того, как человек с помощью отбора создавал, постепенно улучшал существующие породы животных и сорта культурных растений. Исследованиями швейцарских свайных построек было установлено, что уже в новый каменный и бронзовый века первобытные люди разводили пшеницу, ячмень, овес, горох, бобы, чечевицу и другие культурные растения. Однако зерна и семена этих растений были намного мельче, чем у наших сортов. По описанию древнеримского ученого Плиния (23–79 гг.) груши были явно хуже современных. Французский ученый Ж. Бюффон сравнивал во второй половине XVIII в. цветы, плоды и овощи с рисунками, сделанными на полтораста лет раньше, и обнаружил неоспоримое улучшение всех сортов. Породы овец, крупного рогатого скота и лошадей, существовавшие в бронзовый век, были гораздо мельче. Многие домашние животные и культурные растения в ряде случаев изменились настолько, что в настоящее время невозможно установить их предков, а иные из них уже не могут существовать без помощи человека.
С глубокой древности человечество применяет скрещивание животных и гибридизацию растений и таким путем создает новые породы животных и сорта растений. Так, уже во времена Дарвина существовало около ста пятидесяти пород голубей. Несмотря на значительное их различие в оперении, форме тела, головы, клюва и других признаках, все они произошли, как доказал Дарвин, от одного предка — дикого скалистого голубя.
Все породы домашних кур происходят от дикой так называемой банкивской курицы. Потомки дикой курицы жили в лесах Индии, Индокитая, на Филиппинах и островах Малайского архипелага. Банкивские куры по окраске оперения и голосам напоминают «беспородных» домашних кур. Они легко приручаются и дают многочисленное потомство при скрещивании с домашними породами. Дарвин обнаружил, что если скрещивать чистопородных черных кур с белыми, то у потомков иногда проявляется золотисто-красная окраска, характерная для диких банкивских кур. Банкивские куры впервые приручены туземцами Малайского архипелага; отсюда в одомашненном состоянии они попали в Индию (за 2000 лет до н. э.), а позднее в Китай (за 1400 лет до н. э.). В Европе домашние куры известны с V–VI столетия до н. э. В XVI в. здесь существовало уже семь-восемь пород домашних кур. В последующие столетия количество пород увеличилось.
Европейский рогатый скот произошел от двух видов дикого тура: крупной степной формы и мелкой лесной.
Домашние свиньи произошли от европейского дикого кабана.
Есть основания считать, что овцы произошли от скрещиваний европейского муфлона, аргали и архара.
Домашние собаки ведут свое начало от нескольких близких видов волка и шакала.
Человечество за века получило от гибридизации множество ценных практических результатов. Но отсутствие научных знаний о возможностях применения этого метода послужило причиной для возникновения невероятных вымыслов на сей счет, иные из которых встречались даже в серьезных научных трудах по зоологии и ботанике вплоть до XVII столетия. Для иллюстрации приведем несколько примеров. Считалось, что жирафа ни одно божество создать не могло, а произошел он будто от скрещивания верблюда с леопардом. Родителями страуса всерьез считали верблюда и ласточку. Предполагалось, что собаки могут скрещиваться с волками, лисами, тиграми, львами и козами, в последнем случае якобы получается кабан. О скрещивании собак с тиграми пишет древнегреческий философ Аристотель. Древнеримский ученый и философ Плиний писал о скрещивании гадюки с рыбой угрем.
Более того, люди верили в возможность гибридизации человека с животными. Античная мифология сохранила множество подобных выдумок. Так, жена Миноса будто родила от быка Минотавра. Плиний описывает рождение женщинами гиноцентавра, слона и змеи. Широко распространены были легенды о богатырях, рожденных женщинами от медведей.
Конечно, каждому современному человеку ясно, что подобные скрещивания и тем более получение потомства от них совершенно невозможны.
Дарвин тщательно изучил многовековую практику приручения и создания человечеством домашних пород животных и культурных растений. В результате он пришел к выводу, что основным фактором, с помощью которого были выведены многочисленные породы и сорта, является искусственный отбор, проводимый человеком.
Но Дарвина прежде всего интересовала проблема многообразия и вместе с тем едва уловимого общего сходства родственных видов диких животных. Что касается пород домашних животных, то здесь была ясна ведущая роль человека в их создании. Так как запросы жизни и вкусы людей бывают различными, то и создаются породы, отвечающие этим запросам и вкусам.
Какие же силы, действующие в природе, могут разнообразить животных и растения и одновременно как бы формировать их в соответствии с теми условиями, в которых они живут? Эти вопросы в течение ряда лет не давали покоя Дарвину.
Еще во время кругосветного плавания Дарвин сделал важнейшее открытие — индивидуальную изменчивость живых существ. В природе практически почти невозможно найти два близкородственных организма, которые были бы схожи между собой по всем признакам. Каждый организм отличается от своего собрата по целому ряду иногда едва уловимых признаков. Второе обстоятельство: конкретные внешние условия словно подбирают наиболее подходящие для них формы живых существ.
Убедившись в объективности этих фактов, Дарвин стал изучать литературу и проводить собственные опыты. Англичанин Уелдон в течение ряда лет изучал крабов в гавани Плимута, где был построен новый мол. Мол ухудшил циркуляцию воды в бухте, вода стала мутной от меловой взвеси, вносимой двумя речками. Через некоторое время исследователь установил, что преимущественное выживание отмечается у тех особей, которые имеют более узкий головогрудный щит: он лучше защищает жабры от проникновения в них частичек мела. Особи же с широким головогрудным щитом гибли вследствие засорения жабер меловой взвесью.
Другой исследователь привязывал зеленых и бурых богомолов ниточками к растениям различной окраски. Через семнадцать дней все особи, находившиеся на подходящей по окраске растительности, оказались в сохранности. Двадцать три зеленые особи, привязанные к бурым частям растений, были уже через одиннадцать дней уничтожены птицами. Большинство бурых богомолов, прикрепленных к зеленым частям растений, были также съедены.
На основании сопоставления большого количества наблюдений и опытов Дарвин пришел к выводу, что отбор происходит и в природе. По аналогии с искусственным отбором, проводимым человеком, Дарвин назвал его естественным. Естественный отбор подхватывает самые малые и порой незаметные для человека изменения. Природа «отбирает» уклонения только полезные для самих организмов, направленные на лучшее приспособление их к условиям жизни. В результате выживают и дают потомство только те особи, которые оказались наиболее удачно изменившимися, вымирают те, которые не изменились или изменились, но «нецелесообразно».
Так создается многообразие организмов соответственно тем условиям, в которых они обитают. Кроме того, естественный отбор является и основой совершенствования живых существ в процессе их развития. Вот пример. В конце мезозойской эры началось вымирание гигантских форм пресмыкающихся. Этому способствовало два важнейших обстоятельства: изменение климатических условий в новую (кайнозойскую) эру и появление млекопитающих — более высокоорганизованного класса животных. Млекопитающие имеют ряд преимуществ перед пресмыкающимися. Сердце у них не трех-, а четырехкамерное, что делает более совершенным процесс дыхания. Температура тела постоянная, детенышей они вскармливают молоком. Последние два обстоятельства, а также самый высокий уровень развития нервной системы дают им возможность расселяться и жить в любых климатических условиях.
Открытием естественного отбора Дарвин дал материалистическое объяснение явлению «целесообразности», или приспособленности, животных и растений к тем условиям среды, в которой они обитают. Посещая Кергеленские и другие океанические острова, Дарвин обратил внимание на отсутствие или, наоборот, очень сильное развитие крыльев у островных форм насекомых. И он объяснил, почему это происходит. Острова, расположенные в открытом море, постоянно обдуваются сильным ветром. Все насекомые, не способные противостоять внезапным и сильным порывам ветра, неизменно уносятся в море и гибнут. Сохраняются или очень хорошие летуны, способные укрыться от ветра, или те, которые не могут подняться выше травы и кустов. И то обстоятельство, что на острове Мадейра из пятисот пятидесяти видов жуков двести не способны к полету, является прямым результатом естественного отбора.
Приспособления в природе, как доказал Дарвин, бывают только относительными. Любой организм нигде не может быть идеально, абсолютно приспособлен к условиям его обитания, как это представляли себе Кювье и все те ученые и философы, которые считали бога причиной целесообразности в природе. У каждого организма есть масса далеко не совершенных признаков и свойств. Так, покровительственная окраска богомолов спасает их не от всех птиц: вороны прекрасно различают и вылавливают богомолов на любом фоне. Панцирь черепахи кажется прекрасным защитным приспособлением от всех врагов. Однако степные орлы поднимают черепах высоко в воздух, бросают на скалы и, расколов панцирь, съедают мясо. Верблюжью колючку, которую нельзя сорвать, не поранив рук, с удовольствием едят верблюды и не чувствуют при этом никаких неудобств.
А природа век за веком неуклонно ведет свою работу, в результате которой даже такие высокоорганизованные животные, как млекопитающие, подвержены вымиранию в борьбе за существование. По подсчетам специалистов только за кайнозойскую эру вымерло более ста видов крупных млекопитающих. Исчезли с лица земли мамонты, пещерные медведи, саблезубые тигры, шерстистые носороги, которые в период последнего оледенения в большом количестве имелись в Европе, Гренландии и Северной Америке. На грани вымирания находятся сейчас сумчатые млекопитающие (кенгуру, сумчатый волк и др.), которые сохранились только в Австралии.
Открыв закон естественного и искусственного отбора, Дарвин доказал с материалистических позиций причины многообразия живых организмов, их относительное приспособление к условиям существования и постепенное совершенствование организации животных и растений в геологические эры и периоды. Вместе с тем Ч. Дарвин одним из первых исследователей пришел к выводу о единстве происхождения живых организмов. Вначале эту закономерность он установил на домашних животных и культурных растениях. Опираясь на данные палеонтологии, сравнительной анатомии, эмбриологии и других наук, Ч. Дарвин сформулировал в общих чертах закон единства происхождения всех животных. Впоследствии на основе достижений этих наук и положений Дарвина немецкий ученый Э. Геккель (1834–1919 гг.) построил родословное древо животного мира, показывающее родственные отношения между различными систематическими группами животных.
Классики марксизма-ленинизма высоко оценили научный подвиг Дарвина.
К. Маркс и Ф. Энгельс отмечали, что Дарвин нанес сильнейший удар метафизическому взгляду на природу, доказав, что весь современный органический мир, растения и животные, а следовательно также и человек, есть продукт процесса развития, длившегося миллионы лет.
В. И. Ленин писал: «Дарвин положил конец воззрению на виды животных и растений, как на ничем не связанные, случайные, „богом созданные“ и неизменные, и впервые поставил биологию на вполне научную почву, установив изменяемость видов и преемственность между ними»[3].
Клетка — элементарная основа организмов
Созданию эволюционной теории Ч. Дарвина предшествовало важное открытие: было установлено клеточное строение организмов. Это открытие явилось одним из первых весьма убедительных доказательств единства органической природы. Оказалось, что, несмотря на различия между растениями и животными, их объединяет сходство структурных элементов — клеток. «Это открытие не только убедило нас, — писал Энгельс, — что развитие и рост всех высших организмов совершаются по одному общему закону, но, показав способность клеток к изменению, оно обозначило также путь, ведущий к видовым изменениям организмов, изменениям, вследствие которых организмы могут совершать процесс развития, представляющий собой нечто большее, чем развитие только индивидуальное»[4].
Воспроизведем коротко историю этого достижения биологической науки.
Клетка — структура очень мелкая, и невооруженным глазом ее не увидишь. Поэтому развитие науки о клетке было тесно связано с изобретением увеличительных приборов. Первые самые примитивные микроскопы были сконструированы в XVII столетии. Наиболее известным микроскопистом является английский физик Роберт Гук (1635–1703 гг.). Он изготовил совершенный для того времени микроскоп и демонстрировал с 1662 года различные объекты: узоры замерзшей воды и мочи, мох, плесень на коре, поры в пробке, бузину, конский щавель, камыш и др. Микроскоп Гука в основном был деревянный, освещение поля зрения производилось с помощью свечи, а увеличивал он немногим более чем в сто раз.
С 70-х годов этого же столетия стал изготовлять микроскопы и с помощью их производить исследования голландец Антони ван Левенгук (1632–1723 гг.). Он достиг увеличения объектов до трехсот раз. С помощью своего прибора Левенгук впервые увидел в капле воды простейшие одноклеточные организмы — инфузории, открыл в крови красные кровяные тельца, обнаружил мужские половые клетки и многое другое.
В конце XVIII столетия большой вклад в развитие микроскопии внесли русские ученые. В России впервые были изготовлены микроскопы с наиболее усовершенствованными оптическими свойствами.
М. В. Ломоносов использовал микроскоп при изучении тонкого строения минералов.
Роберт Гук, рассматривая через микроскоп растения, обнаружил в их тканях ячеистое строение, напоминающее пчелиные соты. Он назвал эти ячейки греческим словом «целлюля», то есть клетка. Правда, Р. Гук видел только оболочки мертвых клеток. Содержимое клеток было обнаружено значительно позже — впервые в 1839 году — чешским ученым Яном Пуркинье и было названо протоплазмой, то есть первичной плазмой. В 1831 году английский ученый Роберт Броун установил наличие в клетках ядер.
В начале XIX столетия начались широкие микроскопические исследования различных животных и растительных организмов. Эти исследования дали возможность двум немецким ученым Шлейдену и Шванну создать клеточную теорию. Она была сформулирована в 1839 году в работе Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Как об этом говорит само название работы, было доказано сходство в микроскопическом строении животных и растений.
Впоследствии был открыт и изучен огромный по своему разнообразию мир одноклеточных организмов. В настоящее время достоверно доказано, что общее микроскопическое строение имеют не только многоклеточные животные и растения, но и одноклеточные организмы.
Установлено также, что сходство всех живых существ заключается именно в химическом составе протоплазмы клеток. Таким образом, клетки являются той элементарной основой любого организма, в которой совершаются все жизненные отправления. Но прежде чем удалось доказать микроскопическое единство всех существующих на земле организмов, потребовался более чем вековой упорный труд многих ученых мира.
Изучить строение протоплазмы оказалось еще труднее: она прозрачна и в обычном свете ее почти не видно. Но это препятствие было устранено. Ученые стали окрашивать протоплазму клеток.
Однако в клеточной организации имеются такие мелкие структуры, которые невозможно различить под обычным световым микроскопом. В последние десятилетия нашего столетия был изобретен электронный микроскоп, дающий увеличение объектов в двести-триста тысяч раз. Стало возможным наблюдать даже отдельные крупные молекулы и их агрегаты.
С помощью современных методов научных исследований, новейших достижений физики, химии и техники получено очень много важных сведений не только о строении, но также и о функции клетки. Клетка представляет собой своего рода современный «химический завод».
Даже в самой просто устроенной бактериальной клетке совершается до двух тысяч различных химических реакций. Все они строго согласованы между собой, продукты одних сразу же используются как «сырье» или же катализаторы для других, в результате чего при обычных условиях (температуре, давлении и т. п.) в течение весьма малого времени в клетке создаются (синтезируются) сложнейшие органические вещества, специфические для данной клетки.
Все клетки животных, растений и микроорганизмов, хотя и отличаются по размерам, функциям и внешнему строению, имеют общую структурную и физико-химическую основу. Каждая клетка имеет протоплазму, которая состоит из ядерного содержимого — кариоплазмы и собственно содержимого клетки — цитоплазмы.
Живое вещество клетки — протоплазма обладает удивительными свойствами. Все тела и вещества в природе обычно бывают в каком-либо одном физическом состоянии — твердом, жидком или газообразном. Протоплазма же одновременно обладает как свойствами жидкого, так и твердого тела. Она находится в постоянном движении, изменяет свою форму согласно форме клеток, но способна вытягиваться в нитевидные образования и обладает высокой эластичностью. В состав протоплазмы входят все сложнейшие органические вещества — белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Кроме того, в настоящее время установлено, что клетка является самой богатой в природе кладовой по содержанию минеральных элементов. В ней обнаружено около шестидесяти из ста четырех известных на нашей планете элементов.
Минеральные элементы, как и органические вещества протоплазмы, участвуют в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Например, ионы железа, меди и других металлов принимают активное участие в процессе дыхания. Без железа гемоглобин крови человека и высших животных не способен осуществлять свою важнейшую функцию — перенос кислорода в организме. При отсутствии магния зеленый пигмент растений — хлорофилл — не в состоянии осуществлять синтез органических веществ в листьях. Ионы кальция и магния принимают активное участие в жизнедеятельности ядер клеток. Кальций является также необходимым составным веществом костей скелета животных и человека, а фосфор — непременный элемент протоплазмы нервных и других клеток и т. п.
Но процессы органического и минерального обмена не могли бы осуществляться без воды, которая составляет большой удельный вес (75–80 %) в протоплазме клеток.
В клетках содержатся весьма мелкие структуры, называемые органоидами. Они являются живыми частями клетки, имеют специфическое строение, химический состав и выполняют весьма сложные физиологические функции. Органоиды связаны с основными проявлениями жизнедеятельности клетки и организма в целом. В настоящее время обнаружены и изучены в какой-то степени следующие органоиды в животных, растительных и бактериальных клетках: хондриосомы, рибосомы, внутриклеточный аппарат, центросомы, пластиды, эндоплазматическая сеть и вакуоли.
Хондриосомы (их называют еще митохондриями) содержатся во всех клетках живых организмов. Размеры их сильно варьируют от очень мелких, лежащих на границе видимости светового (обычного) микроскопа, до более массивных, похожих на зерна, палочки или нити образований.
По биохимическим данным, хондриосомы состоят из белков, жиров, нуклеиновых кислот, содержат витамины А, С и большое количество ферментов, ускоряющих различные процессы обмена веществ в клетке.
Хондриосомы участвуют в окислительно-восстановительных процессах обмена веществ, являются своеобразными «силовыми станциями» клетки. В них происходит окисление углеводов, а выделившаяся при этом энергия идет на образование энергетических комплексов, состоящих из сложного вещества — аденозинтрифосфорных кислот (АТФ). Это очень неустойчивое соединение, и самопроизвольно или под воздействием ферментов в АТФ происходит разрыв связей между элементами (фосфором и кислородом). Освобождающаяся при расщеплении молекул АТФ энергия используется в различных функциях клетки — при мышечной работе, секреторной деятельности, при синтезе сложных веществ — углеводов, жиров, белков и др.
Рибосомы — очень мелкие зернышки, содержащиеся в цитоплазме, хорошо заметны при больших увеличениях микроскопа. В состав рибосом входят жиры, нуклеиновые кислоты и белки. Из минеральных элементов в рибосомах обнаружены азот, фосфор, железо и медь. Установлено, что в рибосомах осуществляется синтез белков.
Внутриклеточный аппарат, или комплекс Гольджи (назван так в честь итальянского ученого, описавшего этот органоид), обнаружен также в клетках всех животных и растений. Он имеет вид сетей, состоящих из системы переплетающихся между собой нитей, палочек или пузырьков, которые становятся видимыми на препаратах, окрашенных специальными методами с применением солей серебра. Внутриклеточный аппарат располагается обычно около ядра или вокруг него. Аппарат Гольджи на своей поверхности накапливает как продукты обмена данной клетки, так и вещества, поступающие в клетку извне. Таким образом, этот органоид защищает клетку и организм в целом от вредного действия ненужных веществ.
Наряду с большим сходством животных и растительных клеток между ними имеются и существенные отличия, которые можно наблюдать в обычный световой микроскоп. Клетки животных, как правило, имеют очень тонкую, трудно обнаруживаемую нежную белковолипоидную[5] оболочку, благодаря чему их форма легко изменяется. Протоплазма растительных клеток окружена выделяемой ею плотной, упругой оболочкой из целлюлозы (клетчатки), которая придает им более постоянную форму. В клетках животных обнаруживаются рядом с покоящимся ядром особые тельца — центриоли. Они самым непосредственным образом связаны с делением клеток. В клетках, по крайней мере высших растений, центриоли пока что еще не обнаружены, однако процесс деления, как мы узнаем ниже, осуществляется в принципе одинаково у животных и растений.
Рассмотрим органоиды растительных клеток. Важная роль в клетке принадлежит пластидам. В зависимости от выполняемой функции и окраски они делятся на две группы: окрашенные пластиды — хлоропласты и хромопласты, неокрашенные пластиды — лейкопласты и амилопласты. Хлоропласты состоят, как и другие органоиды, из белков и жиров; в состав их входят зеленые гранулы, содержащие пигмент хлорофилл, который придает зеленую окраску листьям и всем зеленым частям растений. Обычно хлоропласты у высших растений распределены равномерно по всей цитоплазме клеток. При ярком свете полуденного солнца они располагаются в слое цитоплазмы, прилегающем к стенкам, перпендикулярным направлению световых лучей. В сумерках хлоропласты рассеиваются по всему телу клетки или же прилегают к стенкам клеток листа.
Биологическая роль хлоропластов огромна. В них происходит синтез органических веществ, прежде всего углеводов, из минеральных солей и воды с участием световой энергии. Этот процесс получил название фотосинтеза.
Если бы все живые существа на земле существовали только за счет имеющихся запасов органических веществ и заключенной в них энергии, то за миллионы лет своего существования они уничтожили бы эти запасы и жизнь на нашей планете исчезла бы. Но жизнь на Земле не только не угасает, а, наоборот, умножается и прогрессирует. Это происходит потому, что беспрерывно образуются органические вещества за счет фотосинтеза.
Вакуоли представляют собой капельки жидкости, которые отчетливо начинают проявляться в цитоплазме в процессе развития и старения клеток растений. В старых клетках мелкие вакуоли сливаются в одну крупную, которая оттесняет цитоплазму с ядром к одной из стенок. В вакуолях концентрируются в растворимом состоянии минеральные соли, сахаристые вещества, а также различные органические кислоты, таннины, пигменты и другие вещества, являющиеся продуктами жизнедеятельности клетки. Пигменты вакуолей придают красную, фиолетовую, синюю окраску лепесткам цветка и некоторым другим частям растения (корнеплодам у свеклы, плодам у баклажана, листьям осенью).
Поделиться книгой: