Текст книги "99 секретов биологии"

Елена Науменко, Наталья Сердцева
99 секретов биологии

В оформлении обложки использована фотография:

PIYAPONG THONGDUMHYU / Shutterstock.com

Используется по лицензии от Shutterstock.com

Во внутреннем оформлении использованы фотографии:

AlessandroZocc, Artazum, Artwork studio BKK, Bernadette Heath, bluedog studio, BlueRingMedia, chombosan, davemhuntphotography, Double Brain, Gregory A. Pozhvanov, GUDKOV ANDREY, Hugh Lansdown, illustrart, Johan Swanepoel, Kjuuurs, Leigh Prather, Liya Graphics, Mathisa, Matt Gibson, Mopic, Nicolesa, Ondrej Prosicky, Paul101, Photography by Gary Potts, pp1, Pressmaster, Redchanka, Sergey Sukhorukov, ShurikAK, spacezerocom, suchalinee, Suwat Sirivutcharungchit, T-Design, Tatiana Gass, Tefi, Tischenko Irina, Travel mania, Triff, Victoria Kisel, Vshivkova, Yeko Photo Studio / Shutterstock.com

Используется по лицензии от Shutterstock.com

© ИП Сирота, 2017

© ООО «Издательство «Э», 2017

Общая биология

№ 1
Готовить на медленном огне. Теория первичного бульона

Наша планета прекрасна и удивительна, не правда ли? Все потому, что на ней существует жизнь, представленная огромным количеством разнообразных форм. Как же получилось, что именно Земля, единственная из всех известных планет, создала на своей поверхности уникальную живую систему? Все начиналось постепенно, от простого к сложному.

Приблизительно 4,5 миллиарда лет назад из газопылевого облака сформировалась третья по счету от Солнца планета. О существовании жизни тогда не было и речи, Земля представляла собой раскаленный шар, который постепенно остывал, обретая форму. Через некоторое время в водоемах, образовавшихся на поверхности, скопились органические вещества, попавшие туда из атмосферы. Этот раствор ученые называют первичным бульоном – именно в нем были «приготовлены» первые живые клетки.

Чтобы понять, как это случилось, в 1953 году американские ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри провели эксперимент. Они сконструировали систему из колб и трубок, в которой воссоздавалась атмосфера и вода древней Земли, тепло Солнца и разряды молний. Целью эксперимента было понять, может ли из неживой материи образоваться нечто живое. Он оказался успешным: через пару недель в растворе обнаружились аминокислоты – то, из чего строятся живые клетки.

Согласно теории первичного бульона, впоследствии эти аминокислоты стали соединяться, приблизительно так же, как соединяются шарики ртути, пока, через много миллионов лет, не образовали первую живую клетку. А от нее в результате эволюции образовались микроорганизмы, растения, животные и мы с вами.

Случись мне присутствовать при сотворении мира, я бы дал кое-какие советы по части лучшего устройства мироздания.

Альфонс Мудрый

№ 2
Миллионы лет перемен. Эволюция

Человек произошел от обезьяны, обезьяна, вместе с другими млекопитающими, – от рептилий, рептилии – от рыб, те – от низших беспозвоночных животных. На Земле, как и во всей Вселенной, никогда не было постоянства, с самого момента ее зарождения все непрерывно менялось, создавались новые способы существования и формы жизни.

Животные приспосабливаются к растениям, растения к животным, все вместе пытаются адаптироваться к окружающей среде, зачастую своей деятельностью вызывая ее изменения. Это и есть эволюция – постоянный и непрерывный процесс нахождения хрупкого баланса между всеми компонентами биосистемы. Те формы жизни, которые находят способы приспособиться к меняющейся среде обитания, выживают; те, что не смогли создать механизмы адаптации, постепенно исчезают с лица Земли.

№ 3
Аист отдыхает. Развитие эмбриона

Древние ученые считали, что зародыш – это точная копия человека, только очень маленькая. Он образуется после соединения мужского и женского начал, а потом просто растет, никак не изменяясь. Каково же было удивление средневековых анатомов, когда они обнаружили, что плод не только не похож на взрослого человека, но и, по неведомой причине, постоянно меняет свою форму!

Теперь мы знаем причину невероятных трансформаций эмбриона – находясь в утробе, он проходит те же стадии развития, которые человек прошел в процессе эволюции. Сначала зародыш человека выглядит так же, как зародыш ящерицы или птицы, на последующих стадиях у него появляется все больше отличий, характерных для млекопитающих. На последнем этапе он приобретает черты, которыми обладают только человеческие существа.

Руководит всеми переменами ДНК – компьютерная программа, в которой заложена вся информация о формировании и функционировании. Как любой многоклеточный организм, будущий человек появляется на свет в виде единственной клетки, зиготы, которая образуется от слияния яйцеклетки и сперматозоида. Далее эта довольно крупная клетка делится на меньшие – так создается зародыш. Позже происходит формирование зародышевых листков, из которых впоследствии появятся все ткани и органы.

За девять месяцев плод проходит путь удивительных трансформаций – одна клетка превращается в полноценный организм, оснащенный такими сложноорганизованными системами, как кровообращение, пищеварение, нервная система, наконец, мозг, способный познавать окружающий мир и совершать научные открытия.

Если процесс деторождения считать подвигом, то выходит, что мужчина еще ни одного подвига не совершил в исторически обозримом прошлом.

На четвертой неделе у человеческого эмбриона отрастает хвост, спустя месяц он исчезает

У нас есть общие ДНК с обезьянами, комарами и даже бананами. ДНК людей совпадают на 99,9 %, разными нас делает оставшаяся 0,01 %.

№ 4
Сильные побеждают и остаются. Теория Дарвина

Совершая кругосветное путешествие, молодой ученый Чарлз Дарвин с интересом изучал окружающую природу. Однажды, на Уругвае, он обнаружил останки древнего броненосца и понял, что этот зверь во многом отличается от броненосца современного. Тогда у него впервые зародилась крамольная мысль: неужели животные могут с течением времени меняться? Наука того времени, вместе с религией, считала, что все существа были созданы творцом такими, какие они есть сейчас.

Позже ученый нашел множество подтверждений своей догадке. Он 20 лет занимался изучением данного вопроса и в итоге издал революционный труд «Происхождение видов», в котором осветил глобальную проблему: как развивался органический мир на протяжении всего своего существования.

По теории Дарвина, которая впоследствии была подтверждена многочисленными исследованиями, природа на протяжении миллионов лет развивалась от примитивных форм к более сложным. Главной движущей силой этого развития, или эволюции, Дарвин назвал естественный отбор – механизм, который позволяет выживать наиболее приспособленным видам.

Дарвин писал о различиях, которые существуют между живыми организмами: даже детеныши одних родителей отличаются друг от друга. Эти различия и становятся полем действия эволюционных законов. Размножение в природе происходит в геометрической прогрессии: все виды рождают огромное количество потомства, но выживают далеко не все, а только самые приспособленные к окружающей среде. Они и передают свои гены последующим поколениям. Так, в постоянной борьбе, происходит естественный отбор.

Умирает только хилое и слабое. Здоровое и сильное всегда выходит победителем в борьбе за существование.

Чарлз Дарвин

№ 5
Принцип черной королевы. Борьба за существование

«Приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте», – говорила Алисе Черная королева в книге Льюиса Кэрролла. То же самое могли бы сказать все биологические виды, обозрев свое существование в масштабах эволюции. Ученые назвали данное явление принципом Черной королевы.

Волки питаются зайцами, следовательно, преимущество имеют те длинноухие, которые быстрее бегают. Они выживают и продолжают род, передавая гены потомкам. Таким образом, следующее поколение волков имеет дело с более быстрыми зайцами. Среди серых не останутся голодными лишь те, кто сможет почуять, перехитрить и догнать ускорившуюся добычу. У них будет преимущество, они смогут прокормить себя, завести потомство и передать ему приобретенные навыки, к которым, на очередном витке эволюции, придется приспосабливаться новому поколению зайцев. И так – без конца, на всем протяжении существования биологического мира.

Межвидовая борьба не делает зверей врагами. Она означает, что один вид не выживет без помощи другого

Зайцам, так же как всем остальным видам, приходится приспосабливаться не только к естественным врагам, но и к окружающей среде. Она тоже постоянно меняется: то становится теплее, то происходит наводнение, то привычного корма вырастает меньше. Приспосабливаются и выживают те, у кого есть подходящие механизмы.

Другой вид борьбы за существование – борьба внутри вида. Все зайцы едят одно и то же, нуждаются в одинаковом убежище, убегают от одних и тех же хищников, значит, они – конкуренты друг друга. В природе нельзя расслабиться ни на минуту, немного зазевался – и тебя съели или обошли. Об этом и говорила мудрая Черная королева.

Кто борется, может проиграть; кто не борется, уже проиграл.

Бертольт Брехт

В 1 грамм ДНК можно записать 700 Тбайт данных – половину всей цифровой информации в мире

№ 6
Предки и потомки внутри нас. Геном

Каждый из нас так или иначе похож на своих родителей, бабушек, дедушек и более далеких предков – потому что информация о том, как мы должны выглядеть и функционировать, передалась нам именно от них. Инструкции о цвете глаз и волос, росте, весе, болезнях, психологических особенностях зашифрованы в генах, которые являются участками ДНК. Вся генетическая информация, заключенная в клетке, называется геномом.

Геном можно назвать схемой или программой, по которой строится организм, но, с другой стороны, – это летопись. В геноме сохранились сведения о самых далеких предках, практически со времен сотворения мира, вернее первого организма. Исследуя геномы человека и животных, биологи составили родословное древо всего живого, разобравшись, кто от кого произошел и в какой последовательности это случилось.

№ 7
Неприкосновенный запас на черный день. Стволовые клетки

Наш организм постоянно обновляется, старые, отработавшие свой запас клетки заменяются новыми, молодыми и полными сил. Откуда же берутся новые «строительные кирпичики»? За их выработку отвечают стволовые клетки. Но потенциал обновления не бесконечен, не все системы и органы могут восстановиться после тяжелых заболеваний; кроме того, с возрастом количество и качество новых клеток снижается. А ведь было бы неплохо иметь возможность обновлять ткани даже тогда, когда сам организм с этим не справляется, не так ли?

Так считают и ученые, разрабатывающие методы пересадки стволовых клеток нуждающимся в этом пациентам. Самыми перспективными в этом смысле являются эмбриональные стволовые клетки – существует возможность выращивать из них ткани и органы.

Как известно, человеческий организм развивается из одной клетки под руководством ДНК. На ранних этапах развития все клетки зародыша одинаковы, из каждой может развиться любой орган или любая ткань. Позже клетки начинают делиться по специальностям: из этой группы образуется сердечнососудистая система, эта станет скелетом, та – пищеварительным трактом. Ненужные участки ДНК отключаются, работать продолжают только те, что будут задействованы.

Эмбриональные стволовые клетки, взятые до того, как они прошли специализацию, – это уникальный строительный материал, из которого современные биологи способны выращивать человеческие ткани и заменять ими больные или поврежденные. В перспективе это может полностью изменить медицину и улучшить качество нашей жизни.

В молодости медицина должна помогать природе, в старости – противодействовать ей.

Тадеуш Котарбиньский

№ 8
Организм как химический завод. Основа жизни

До начала XIX века считалось, что органический и неорганический мир в корне различны, бытовало представление о «жизненной силе», которая делает живое живым. Так было до того момента, пока Фридрих Вёлер не синтезировал молекулу мочевины – впервые органическое вещество было создано искусственным путем. Оказалось, что для создания органического материала не нужно никакой жизненной силы, его можно сделать из самых обычных химикатов.

Природа устроена просто, в основе жизни лежат химические реакции. Атомы водорода в молекулах нашего тела подчиняются тем же законам, что и атомы водорода в земной коре. Наш организм – не что иное как крупный химический завод, где одновременно происходит множество реакций. Руководящим центром данного предприятия является ДНК, в которой зашифрованы все инструкции.

№ 9
Человек как способ выживания генов. Теория Докинза

Ген – это участок ДНК, в котором зашифрована наследственная информация. Рост, цвет глаз, форма носа, умение сворачивать язык в трубочку – вся эти сведения находятся внутри гена. Гены передаются нам от предков, изменить их мы никак не можем.

С точки зрения биологии и генетики ген – это мельчайшая единица наследственности. Но некоторые ученые придают гену гораздо большее значение, возводят его на пьедестал и ставят в центр всей эволюции. Такой взгляд на вещи называется геноцентрическим. Главным его пропагандистом стал британский ученый Ричард Докинз. В своей книге «Эгоистичный ген» он назвал человека «машиной для выживания генов». С этой точки зрения вся эволюция происходила и происходит только для того, чтобы увеличить количество жизнеспособных генов; ген и есть главное создание природы.

№ 10
Ты – мне, я – тебе. Мутуализм

Распространение некоторых растений зависит от птиц: пернатые переносят семена в собственной пищеварительной системе. Конечно, они делают это неосознанно, у них нет цели увеличить посевы шиповника или клевера. Просто в природе сложились такие взаимовыгодные отношения: птицы питаются плодами растений, растения за их счет увеличивают ареал обитания. Биологи называют подобные отношения мутуализмом.

Примеров мутуализма существует великое множество, один из самых странных находится в желудке коровы. Большую часть его площади занимает рубец – орган, в котором живут микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу. Без них корова не могла бы переваривать растительную целлюлозу. В этой разновидности мутуализма корова дает пристанище микробам в собственном организме, они за это помогают ее процессу пищеварения.

Мутуализм – это одна из форм симбиоза. От последнего он отличается тем, что выгоден обоим партнерам, в то время как при симбиозе пользу от совместного существования может извлекать только один партнер. Например, животные-падальщики, вроде гиен, питаются остатками добычи хищников. Падальщикам выгодно жить рядом со львами и тиграми, хищникам же это безразлично.

Рыбы-клоуны прячутся от хищников среди жгущих щупальцев актиний

Существует еще одна, довольно некрасивая, форма симбиоза – паразитизм. В этом случае один из участников отношений живет за счет другого, часто нанося ему вред. Так ведут себя кровососущие насекомые – блохи, вши, клещи, все виды кишечных паразитов и т. п. К паразитам относят и растения, питающиеся за счет себе подобных, например омелу или повилику.

Поистине нет в жизни ничего лучше, чем помощь друга и взаимная радость.

Иоанн Дамаскин

Нервные клетки не боятся стресса. Навредить им может только недостаток кислорода и питания.

№ 11
Хвостатая наэлектризованная клетка. Нейрон

Сердце, печень, кожа, слюнные железы и все остальные органы нашего тела подчиняются командам нервных клеток, поступающим из мозга. Мы не заботимся о том, как работает наше пищеварение, не контролируем каждый вдох и не напрягаемся по поводу того, сколько раз в минуту моргают наши глаза – этим занимается нервная система. Но это не значит, что она полностью независима от нас – если мы захотим почесать нос или поднять ногу, по нашим нервам мгновенно пойдет соответствующий импульс и желание будет осуществлено.

Нервная система – это разветвленная сеть, в которой одновременно происходят миллионы различных действий, и при этом все работает слаженно и точно, как лучшие швейцарские часы. Ни одна современная телекоммуникационная система не сравнится с нервной по сложности и совершенству. Как же устроен этот безупречный механизм?

Нервная система состоит из нейронов – нервных клеток – соединенных друг с другом. У каждого нейрона есть клеточное тело, аксон – длинный отросток, по которому нервные импульсы идут от данной клетки к другим нейронам, и дендрит (один или несколько) – короткий отросток, принимающий импульс от других клеток. Аксоны могут быть невероятно длинными: например, у некоторых нейронов, находящихся в спинном мозге, аксоны достигают пальцев ног.

Уникальность и отличие нейронов от других клеток в том, что они могут передавать через себя нервные импульсы, причем делают они это двумя способами – электрическим и химическим. Сигналы создаются ионами (электрически заряженными частицами) и перемещаются по телу нервной клетки.

Некоторые считают, что у них доброе сердце, хотя на самом деле у них лишь слабые нервы.

Мария фон Эбнер-Эшенбах

№ 12
Внутри тепло и сухо. Гомеостаз

Окружающая среда не всегда гостеприимна к нам: то жарко, то холодно, то опасно, то невыносимо скучно… Человек (так же как другие живые существа) может жить в разных условиях, потому что у него есть механизмы защиты он внешнего мира. Что бы ни происходило снаружи, внутри ситуация остается стабильной – температура, давление, кислотно-щелочной баланс, содержание различных веществ в крови практически не меняются. Это внутреннее равновесие биологи называют гомеостазом.

Как же происходит поддержание гомеостаза в системах и органах? Все части организма прекрасно знают, каким должно быть их нормальное состояние. Как только происходит отклонение от нормы, в нервную систему поступает соответствующий сигнал, и она отдает команду на восстановление порядка. Например, если в легких недостаточно кислорода, человек, сам не зная почему, начнет дышать более глубоко.

По сути гомеостатическое равновесие никогда не наступает окончательно, за него приходится ежесекундно бороться: то нужно поднять температуру на сотую долю градуса, то снизить кислотность, то увеличить давление и т. п. Гомеостаз – как совершенство, к которому организм стремится и которое постоянно ускользает, это скорее процесс, чем состояние. Тем не менее большую часть времени внутренняя среда находится в нужном состоянии – процесс работает.

Гомеостаз существует не только у животных, но и у растений. Наши зеленые друзья тоже стремятся поддерживать внутри себя равновесие и постоянство, только в их случае значение имеют другие параметры – концентрация солей, водный баланс и т. п.

Чрево – ноша опасная для смертных: ежемгновенно она нарушает равновесие между душой и телом.

Виктор Гюго

Нейроны мозга за день генерируют больше электрических импульсов, чем все телефоны мира вместе взятые

№ 13
От молекулы до планеты. Уровни организации жизни

Дотошные биологи любят все классифицировать – от видов растений до типов клеток. Окинув взглядом весь живой мир в целом, они осознали, что его тоже можно разложить по полочкам, от простого к сложному.

На самом первом уровне оказались молекулы – именно с них начинается жизнь, здесь находятся простейшие кирпичики, из которых строятся клетки. Второй уровень – клеточный; одна клетка уже может быть самостоятельным живым организмом. Многоклеточные существа состоят из разных тканей и органов – это еще одна ступенька. Отдельные особи объединяются в виды и популяции – мы перешли на следующий уровень. Сообщество разных видов, существующее на одной территории, называется биогеоценозом, а все живое, что есть на Земле, – биосферой. Это и есть самый высший и самый сложный уровень организации жизни.

Органическая клетка на 95 % состоит из углерода, водорода, кислорода и азота

№ 14
Мы их еще не знаем. Открытые и неоткрытые виды

Когда речь заходит о неизвестных науке существах, воображение рисует каких-то жутких монстров, вроде лох-несского чудовища или чупакабры. Наука действительно не всесильна и за время своего существования смогла изучить далеко не всех обитателей Земли. Количество описанных видов составляет около 1,7 миллиона, в то время как реальное число растений и животных оценивается приблизительно в 8,7 миллиона. Так кого же из наших соседей по планете мы не знаем?

В основном это микроскопические существа, невидимые невооруженным взглядом. Кроме того, в число незнакомцев входят те, кто живет на больших глубинах в морях и океанах, в глубоких подземельях и пещерах, просто в земле (неизученных грибов существует несколько миллионов). Среди наземных растений неизученных видов не так много – около четверти.