Наука о живом - Питер Медавар

Циклы. Биологические науки заметно отличаются от физических не только тем значением, которое имеют для них иерархическая организация, зависимость от времени и всеобщая подчиненность идее специфичности. Всю биологию на всех ее уровнях пронизывает еще одно понятие — понятие о циклах. Биологический процесс в целом — это циклы, включающие циклы, которые в свою очередь включают циклы… Самыми важными, естественно, являются циклы, определяемые влиянием космоса, — сезонные и суточные: вся деятельность живых организмов определяется ими и приспосабливает к ним свои ритмы. Многие биологические циклы представляют собой процессы регенерации, и главнейший из них — это цикл, включающий рождение, созревание, воспроизведение, старение и смерть. У микроорганизмов, таких, как бактерии, и у многих клеток цикл воспроизведения непрерывен, но у более крупных организмов он чаще носит сезонный характер.

Регенеративный и обновительный характер циклических биологических процессов особенно ярко иллюстрируют великие циклы многократного использования, синтеза и распада, в которых участвуют азот, кислород, углерод и фосфор — химические элементы, представляющие собой исходные компоненты биосферы. Азот составляет около 80 % атмосферы, и его соединения являются основой всего живого. И тем не менее живые организмы не способны захватывать азот прямо из атмосферы. Исключение составляют некоторые бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми {23} растениями*. Вот почему такую колоссальную важность имеет промышленное связывание атмосферного азота при изготовлении искусственных удобрений, производство которых достигает миллионов тонн в год.

Азотистые соединения переходят по цепи питания из одного организма в другой, и в конечном счете газообразный азот возвращается в атмосферу при денитрификации, которая сопровождает последние стадии разложения и гниения живых организмов. В развитых промышленных странах происходит значительная потеря азота из-за недостаточного или неправильного использования сточных вод, хотя они особенно богаты азотистыми соединениями.

Кислородный и углеводный циклы тесно связаны между собой. В обоих циклах участвуют атмосферный углекислый газ и атмосферный кислород (составляющие соответственно около 0,3 и 20 % атмосферы). Связанные в цепи атомы углерода образуют каркас всех структурных молекул организма (см. гл. 10), а потому не удивительно, что в угле и в другом ископаемом топливе скрыто гораздо больше углерода, чем его содержится в живых организмах. Этот углерод возвращается в атмосферу при горении — протекающем с участием кислорода процессе, при котором углерод превращается в углекислый газ. Углеродный и кислородный циклы пересекаются в фотосинтезе — процессе, при котором энергия солнечного света превращает воду и атмосферный углекислый газ в углеродные соединения, известные как углеводы. Фотосинтез сопровождается выделением кислорода, а кислород непосредственно используется для дыхания и растениями, и животными. Наиболее важные (ввиду своей многочисленности) организмы, которые захватывают углекислый газ и высвобождают кислород, — это деревья в лесах и микроскопические водоросли, плавающие на поверхности океана, т. е. фитопланктон. На определенной глубине в море количество углекислого газа, выделяемого при дыхании, точно соответствует количеству углекислого газа, {24} потребляемого при фотосинтезе, — это так называемая компенсационная точка.

Гомология. Одно из наиболее важных понятий в биологии — это гомология, т. е. сходство по основному плану строения или выполняемой функции, которое объясняется общностью происхождения, параллельной генетической детерминацией или связью, обусловленной тем, что данные органы являются завершением одного какого-то эволюционного ряда.

Начавшийся с простой пятилучевой (пятипалой) структуры процесс развития, создающий у рыб грудной плавник, у птиц видоизменился в процесс развития, который создает крыло, а у млекопитающих — в процесс, который создает переднюю конечность. Таким образом, грудной плавник, крыло и передняя конечность — гомологичные органы. Другим примером гомологии являются крошечные тонкие косточки, передающие вибрацию от барабанной перепонки к слуховому органу, и кости, которые когда-то поддерживали челюсть. Точно так же щитовидная железа млекопитающих гомологична тому органу, который у низших хордовых вырабатывает слизь и выбрасывает ее на внутреннюю поверхность жаберной полости, чтобы улавливать мелкие частицы пищи из протекающей через жабры воды. Во всех этих случаях важно помнить, что тут имеет место не превращение одного органа в другой — по меньшей мере наивно говорить о превращении плавников в конечности, — а эволюция одного процесса развития в другой процесс. После появления работ Дарвина многие биологи сочли важнейшей своей задачей выявление гомологии как дополнительного доказательства теории эволюции (на той же позиции все еще стоят те консервативные учебные заведения, где основой преподавания зоологии остается сравнительная анатомия).

На одном из самых первых занятий по сравнительной анатомии начинающий узнает, что животные, в свое время довольно произвольно объединенные в группу копытных (Ungulata), в частности лошади, коровы, овцы, свиньи, жирафы и олени, ходят на кончиках пальцев, поскольку их копыта гомологичны ногтям (ungulae) и когтям млекопитающих других групп и имеют тот же химический состав. Привычка ходить на цыпочках сопровождается изменением костной {25} структуры конечности — «руки» или «ноги» соответственно. У копытных сустав, который профаны именуют «коленом», на передней ноге гомологичен запястью, а на задней — голеностопному суставу. Пальцы передней и задней конечностей редуцировались, что увеличило механическую эффективность этих конечностей. Главный палец передней ноги непарнокопытных (лошади, например) соответствует среднему пальцу, а второй и четвертый превратились в рудименты, не достающие до земли; на передних же ногах парнокопытных оставшиеся пальцы соответствуют нашим среднему и безымянному. Как легко заметить, изучение гомологии вносит порядок и смысл в то, что иначе выглядело бы огромной беспорядочной грудой зоологической информации.

Гомология конечностей копытных очень проста, и более продвинувшийся в своих занятиях студент-биолог — во всяком случае, обучающийся там, где сравнительной анатомии отводится надлежащее место, — может заняться, скажем, такой проблемой, как топография передней части головы позвоночных; кстати, эта проблема принадлежит к числу тех, которые профану кажутся смешными, хотя на самом деле открывают возможность для исследований и рассуждений, не лишенных определенной элегантности. Передний конец головы анатомически определяется передней частью сегментированных мышечных блоков, которые заполняют тело позвоночного от одного конца до другого, передними окончаниями двигательных нервов, иннервирующих эти мышцы, и самой передней точкой таких продольно вытянутых структур, как хорда и нервный тяж, или же органами, которые являются форпостом этих структур, такими, например, как задняя доля гипофиза. Анатомическая идентификация передней части головы позволяет лучше понять поразительную эволюцию высших нервных центров высокоразвитых позвоночных, приведшую к колоссальной гипертрофии, которая выплеснула элементы мозга за пределы анатомической передней части головы. Ценность сравнительной анатомии заключается в том, что она помогает лучше понять систему живой природы: глуп тот, кто смеется над ней, и сам себе вредит тот, кто ее недооценивает. {26}

Сравнительная анатомия утратила ту важность, которой она обладала прежде, главным образом потому, что основная часть исследований в этой области уже была выполнена крупнейшими немецкими зоологами конца прошлого века, в особенности Гегенбауэром и Вийхе, и их весьма почтительными и трудолюбивыми британскими учениками, такими, как зоолог Эдвин Гудрич и член Лондонского королевского общества профессор Эдвин Рей Ланкестер, которые, по слухам, послужили А. Конан-Дойлю прототипами доктора Саммерли и профессора Челленджера в романе «Затерянный мир». Современное нетерпеливое отношение к столь неторопливым исследованиям, каких требует сравнительная анатомия, не должно затушевывать того факта, что сравнительная анатомия — это трудоемкая и по-своему очень красивая дисциплина. Можно даже сказать, что крупнейшие специалисты превращали ее в настоящее биологическое искусство: биолог, который не оценит книги Эдвина Гудрича «Исследование строения и развития позвоночных»* и не придет от нее в восхищение, заслуживает только сожаления.

Несколько слов о микроскопах. Хотя микроскоп открыл целый мир мельчайших организмов, не следует преувеличивать важности обычной оптической микроскопии и вообще возможности смотреть на предметы, вместо того чтобы изучать их другими способами. Как мы узнаем ниже, открытие хромосом и генов зависело от возможности видеть их не более, чем открытие атомов и молекул; существование генов было известно задолго до того, как были обнаружены видимые особенности хромосом, которые можно было бы ассоциировать с генами. Обычный оптический микроскоп имеет тот недостаток, что с его помощью нельзя увидеть предмет, размеры которого меньше длины волны видимого света. Используя излучение с более короткой длиной волны, например ультрафиолетовое, и специальные пропускающие его линзы, мы можем увидеть более мелкие объекты; однако действительный переворот в микроскопии произошел с созданием электронного микроскопа, который {27} с помощью магнитных полей фокусирует и направляет обладающие большой проникающей способностью пучки электронов точно так же, как видимый свет направляется, рассеивается или собирается в одну течку с помощью линз. Но и у электронной микроскопии есть свои минусы: главный из них заключается в том, что исследуемый материал должен быть абсолютно высушенным и находиться в полном вакууме, а срезы исследуемых тканей приходится делать настолько тонкими, что их изготовление требует исключительного мастерства. И тем не менее, несмотря на эти неудобства, электронная микроскопия раскрыла перед нами новый мир кристаллических систем внутри живой клетки. Для целей микроанатомии самый мощный электронный микроскоп с самой высокой разрешающей способностью* не обязательно окажется самым лучшим. Электронного микроскопа со средней разрешающей способностью вполне достаточно для самой детальной микроанатомии (ее не следует путать с молекулярной анатомией), тогда как микроскоп с очень большим увеличением может в этих случаях ничего не дать: так, наблюдатель гораздо больше узнает о форме и снаряжении приближающегося корабля, глядя в обычный бинокль, чем употребив подзорную трубу такой мощности, что в нее будут видны щетинки на подбородке капитана. За последние годы при умелом использовании электронного микроскопа неожиданно легко удалось увидеть крупнейшие биологические молекулы, такие, как молекулы антител, а с использованием микроскопа высокой разрешающей способности была почти полностью изучена структура одного из вирусов — аденовируса 12.