Текст книги "Нескучная биология"

Вещество и энергия

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

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

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

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

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

Самообслуживание

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

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

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

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

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

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

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

Эволюция

Что такое «вид»?

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

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

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

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

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

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

Серая жаба

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

Жерлянка

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

Зрачок жерлянки (слева) и жабы (справа)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Источник новизны

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

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

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

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

Гены, аллели и популяции

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

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

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

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

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

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