Я познаю мир. Живой мир

Существует, однако, на свете масса мест, где свободного кислорода не найти или его очень мало. Например, в глубинах почвы, в донных отложениях, в нашем с вами кишечнике, в конце концов. Организмы, живущие в таких условиях, пользуются дыханием анаэробным.

В качестве окислителя они используют не кислород, а другое вещество, способное к отъему электронов у субстрата. Анаэробное дыхание менее выгодно, топливо при этом «сгорает» не полностью, а образующиеся «шлаки» сплошь и рядом тормозят метаболизм. Анаэробным дыханием, кстати, при нужде могут пользоваться и вполне «кислородные» организмы. Когда вы быстро и долго бежите от злой собаки, кровеносная система не успевает подавать нужное количество кислорода работающим на пределе мышцам. И какое–то время мышцы работают на анаэробном дыхании. Но в результате в них накапливается «шлак» – молочная кислота (при достатке кислорода она тоже сгорает). Потом, чтобы мышцы опять могли работать в полную силу, молочную кислоту требуется убрать, а для этого нужно время и энергия.

И имейте в виду, что на самом деле всё в сотни раз сложнее, чем вы можете подумать, читая наше предельно упрощенное описание. В процесс дыхания входят десятки головоломных реакций, в которых участвуют десятки ферментов.

Универсальный аккумулятор

Энергия, образующаяся в процессе дыхания, не используется напрямую. Да это и невозможно, энергия требуется для многих процессов, и, если бы эти процессы использовали каждый непосредственно энергию субстрата, пришлось бы каждому иметь свой окислитель, причем часто специфический, кислород далеко не во все биохимические процессы «вписывается». Причем, поскольку молекулы субстрата достаточно велики, пришлось бы организовать их транспортировку непосредственно к месту применения, что тоже непросто. В общем, система усложнилась бы до невозможности. И поэтому энергия, получаемая в результате дыхания, запасается в своего рода универсальных аккумуляторах. Причём у всех известных нам организмов этот аккумулятор один и тот же. И все процессы, идущие с потреблением энергии, имеют один «универсальный разъем», позволяющий подключаться к этому аккумулятору. Согласитесь, очень удобно.

Универсальными аккумуляторами живых систем являются молекулы аденозинтрифосфорной кислоты. Выговорить это слово без запинки удается не всякому биохимику, и поэтому сей аккумулятор принято называть просто ЛТФ, равно как и дезоксирибонуклеиновую кислоту все, не ломая язык, называют ДНК. Про ДНК вспомнилось потому, что АТФ и ДНК близкие родственники. По сути, АТФ является нуклеотидом. Это молекула сахара рибозы плюс соединенные с ней одно азотистое основание (аденин, вспомните главу «Память поколений») и три фосфатные группы. Отщепление двух фосфатных групп дает весьма существенный выход энергии, существенно больший, чем при разложении большинства других соединений. Почему это так – биохимики пока не знают, здесь дело не только в самой фосфатной связи, а в каких–то свойствах молекулы в целом.

image name = "note" href="#image12.png"

АТФ: 1 – аденозин; 2 – остатки фосфорной кислоты

Одна молекула АТФ – своего рода стандартная единица измерения выхода или расхода энергии. Так, например, полное «сгорание» одной молекулы глюкозы дает чистый выход в 38 молекул АТФ, при этом бескислородный этап расщепления дает только 4 молекулы (это к вопросу об эффективности аэробного и анаэробного дыхания).

Самообслуживание

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

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

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

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

image name = "note" href="#image13.png"

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

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

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

Становой хребет биологии (эволюция)

image name = "note" href="#image14.png"

Что такое «вид»?

Это один из тех вопросов, который легче падать, чем получить на него ответ. Если собрать все, что биологи понаписали на эту тему, получится очень объемистая библиотека. Поскольку мы заговорили об эволюции, что–то сказать о виде придется и нам, потому что дальше вы будете сталкиваться со словами: новый вид, видообразование, изменение видов, иымирание видов, конкуренция между видами. На первый взгляд вопрос кажется простым. 1>урый медведь – один вид, белый – другой, домовая мышь – третий, нильский крокодил – четвертый. С мышью и крокодилом все ясно. Но, скажем, воробей с коричневой «шапочкой» и маленьким черным галстучком и воробей с серой шапочкой и большим галстуком – разные виды, полевой и домовый воробьи. А трясогузки с серой спинкой и с черной – один вид, белая трясогузка. А взять рыжую и красную полевок. Это разные виды, но, кроме названия, разница между ними настолько мала, что их даже специалисты порой путают.

image name = "note" href="#image15.png"

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

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

– Для излечения зубной боли поймай жабу, погрузи её в серебряный сосуд с мозельским вином...

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

image name = "note" href="#image16.png"

Серая жаба

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

image name = "note" href="#image17.png"

Жерлянка

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

image name = "note" href="#image18.png"

Зрачок жерлянки (слева) и жабы (справа)

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

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

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

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

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

image name = "note" href="#image19.png"

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

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

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

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

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

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

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

Источник новизны

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

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

Гены, аллели и популяции

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

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

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

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

image name = "note" href="#image20.png"

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

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

Мутации хорошие и плохие

Подавляющее большинство мутаций вредны. Метаболизм – сложная система взаимодействий и практически любое случайное изменение не несет ничего хорошего. А мутации – вещь в высшей степени случайная и непредсказуемая. Представьте себе, что вы наугад тычете отверткой во внутренности компьютера. Маловероятно, что таким способом вам удастся его усовершенствовать. Считается, что полезные мутации составляют менее 1 процента всех мутаций.