Нескучная биология

Тем не менее, в последовательности ступенек зашифрована практически вся биохимическая информация об организме. И какие белки и прочие вещества входят в его состав, и как должны идти процессы синтеза, и как используется энергия, и как регулируются и сочетаются все эти процессы. В конечном итоге от этой информации зависит и из каких клеток этот организм состоит, и в какой последовательности формируются различные ткани и органы при развитии, короче – как этот организм устроен.

Молекулы нуклеиновых кислот каждого вида организмов: мухи, ежа, амебы или кокосовой пальмы хранят информацию о результатах миллионов лет уникального исторического развития. Но особенность такой молекулы заключается не только в том, что она хранит информацию. Эта лестница способна воспроизводить точнейшие копии самой себя. В какой – то момент на конце лестницы ступеньки начинают рваться пополам, и спирали расходятся. Каждая спираль с обломками ступенек настраивает недостающие половинки ступенек и второй «стержень». Недостающие элементы она черпает из так называемого нуклеотидного фонда – «плавающих» в окружающем растворе остатков рибозы, соединенных с остатком фосфорной кислоты и с одним из азотистых оснований. Такие кусочки, независимо от того, входят они в состав лестницы или существуют сами по себе, называются нуклеотидами. Нуклеотиды бывают четырех типов соответственно четырем типам оснований.

В результате расщепления с последующей достройкой (этот процесс называется репликацией) лестница дублируется, и дублируется вся информация, которая в этой странной молекуле содержится. Именно на этом дублировании, которое обеспечивает преемственность поколений, и держится вся жизнь на планете.

Липиды

Липиды – группа соединений, очень разно-образных по своим свойствам и строению. Липиды – это продукт объединения какого-либо из спиртов с так называемыми жирными кислотами. «Настоящий» липид – это фактически спирт, где к каждому атому углерода, кроме всего прочего, «прицеплен» остаток кислоты. Но биохимики включают в это семейство и некоторые другие вещества, которые, по сути, продукт того же союза – спиртов и кислот, но в этом конечном продукте уже не удается различить структуру ни того, ни другого.

Формула молекулы фосфолипида: 1 – остаток жирной кислоты; 2 – остаток глицерина; 3 – остаток фосфорной кислоты

То, что мы привыкли называть жиром, – это соединения, имеющие в основе трехатомный спирт глицерин. В зависимости от того, какого рода кислоты объединились с глицерином, эти жиры будут или тугоплавкими (собственно жиры), или легкоплавкими и при комнатной температуре жидкими (такие принято называть маслами). Главная роль всех глицеролов (это еще одно название жиров) – запасание энергии на черный день. Окисление одного грамма жира дает в несколько раз больше энергии, чем окисление одного грамма углевода. Правда, есть у липидов один недостаток – они не растворимы в воде. Это значит, что запасы нужно либо откладывать прямо там, где они потом будут использоваться, либо окислять жир, а потом каким-то образом транспортировать энергию. Углеводы же растворяются в воде и легко транспортируются «со склада» к месту использования. Поэтому углеводы – резерв быстрого реагирования, а для мобилизации жиров организму нужно какое-то время.

Очень часто жиры служат резервом не энергии, а воды. Вода – один из продуктов окисления жиров, причем получается ее довольно много, вдвое больше, чем при окислении углеводов. А окисление белков вообще воды не дает, наоборот, требует ее для выведения продуктов распада. В частности, поэтому организмы не любят использовать белки в качестве источника энергии. У многих пустынных животных запасы жира служат именно источником воды. Жир верблюжьих горбов, кроме всего прочего, – своего рода фляга с водой. Точно такую же роль выполняет курдюк овцы, отложения жира в хвостах многих пустынных грызунов и ящериц. Кстати, вода получается не только при окислении жиров, но и при их синтезе.

А для многих животных жир служит не столько источником воды или энергии, сколько термоизоляцией. Все теплокровные животные, которые живут или на Севере, или в воде (теплоотдача в воде очень высока), имеют весьма основательный, равномерно распределенный под кожей по всей поверхности тела слой жира.

Гренландский кит. Толщина подкожного жирового слоя у этого жителя Ледовитого океана местами превышает полметра!

Воска – тоже липиды, в основном на основе спиртов с длинными углеродными цепочками. Вырабатываются они не только пчелами, но и многими животными и растениями. Используются главным образом для создания водонепроницаемых покрытий. Причем не столько для того, чтобы не пустить воду внутрь, сколько для того, чтобы не давать организму испарять влагу без особой нужды. Восковым налетом покрыты листья растений, у пустынных растений этот слой особенно толстый. Восковым налетом покрыты тела большинства наземных членистоногих – для мелких животных высыхание особенно опасно. У некоторых пустынных жуков восковое покрытие настолько толстое, что воск с них можно собирать, буквально соскребая ногтем.

Стероиды и терпены относятся к классу липидов, у которых структура первоначальных компонентов никак себя не проявляет. Некоторые из них являются гормонами или ростовыми веществами, к стероидам относится витамин D, терпенами являются многие ароматические вещества, например ментол, знакомый всем любителям жевательной резинки. Некоторые из них – пигменты, а это вещества, ответственные не только за окраску, но и за фотосинтез. Мы говорили, что липиды не бывают полимерами. Но это относится только к липидам «настоящим». Среди терпенов полимеры встречаются – каучук из их числа.

Клеточная мембрана: 1 – двойной слой фосфолипидов; 2 – белки; 3 – углеводы, связанные с белками

Но самые интересные и самые важные липиды не относятся ни к жирам, ни к воскам, ни к стероидам или терпенам. Это фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины. Первые – это заурядные липиды, содержащие фосфатную группу. Гликолипид – продукт соединения липида с углеводом, а липопротеин – с белком. Все три образуют клеточные мембраны, а это штука, которая выполняет работу необыкновенной важности. Без мембран существование клетки невозможно. Причем мембрана – это не просто тот «пузырь», который не дает содержимому клетки растекаться. Задача ее гораздо сложнее: она должна выпускать из клетки одни вещества и пропускать внутрь совсем другие.

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?