Алексей Целлариус - Нескучная биология

А. Ю. Целлариус

Нескучная биология

Художники: И. М. Магид, О. А. Герасина, К. В. Макаров, Т. С. Проказина, О. П. Багина, Е. Ю. Бакун, А. Е. Бринев, Н. В. Бурнашева, Е. А. Журавлев, Е. А. Коблик,С. В. Крускоп, С. В. Наугольных, В. А. Полевод, Ю. А. Станишевский

© Целлариус А. Ю., текст, 2017

© ООО «Издательство АСТ», 2017

Предисловие

Интерес к живым существам возник задолго до появления человека, еще в те далекие времена, когда впервые возник более или менее сложный мозг. Не только обезьяны, кошки и собаки, но даже мыши и ящерицы интересуются другими живыми существами гораздо больше, чем камнями, луной, звездами и облаками. У нашего далекого волосатого предка интерес ко всему живому наверняка был еще сильнее, хотя бы потому, что мозг у него был получше мышиного, и он понимал, что он тоже живое существо. Интерес этот не ограничивался чисто практическими соображениями. Только благодаря неуемному любопытству человек стал человеком. Посмотрите на себя. Что, вы купили эту книгу, чтобы лучше подготовиться к экзаменам? Или блеснуть эрудицией? Или научиться лечить прыщи? Да нет, вам просто «интересно».

Эта книга – не учебник биологии и не пособие для подготовки к экзаменам (хотя и в этом качестве она может оказаться небесполезной). Мы просто попытаемся рассказать вам об основных законах, управляющих жизнью на Земле, и о некоторых живых существах, как малоизвестных, так и хорошо знакомых, но от того не менее удивительных. Подробно рассказать о такой широкой области знаний, как биология, в одной книге просто невозможно. Что-то пропущено, по чему-то взгляд только скользнет, не задерживаясь. Но если ваш интерес к живому не насытится, а только возрастет – значит, все в порядке.

Кое-что о жизни вообще

Странная планета

Если бы существовал некий бесплотный дух, странствующий во Вселенной и мыслящий во вселенском масштабе, то наша Земля должна была бы вызвать у него недоумение. Вроде бы планета как планета, довольно заурядная, вертится себе, понемногу остывая. Состоит, в основном, из добропорядочных твердых веществ, каких и на других планетах пруд пруди. Но! Во-первых, почти все впадины планеты заполнены жидкой водой. Это уже огромная редкость, на большинстве других планет воды мало и она или газ (пар), или твердое вещество (лед). Жидкая вода – универсальный и очень агрессивный растворитель. Во-вторых, в атмосфере планеты полно чистого кислорода. Это уже вообще ни в какие ворота не лезет. Кислород тоже штука очень агрессивная, реагирует чуть ли не со всем на свете и на большинстве планет в чистом виде почти отсутствует, а входит в состав сложных веществ, оксидов. Все это говорит о том, что на поверхности планеты идут какие-то странные химические реакции.

Чтобы обнаружить на планете жизнь, вселенскому духу пришлось бы воспользоваться хорошим микроскопом. Это сами себе мы кажемся такими большими и значительными. Но в масштабах не только вселенских, но даже планетарных, мы простым глазом неразличимы. Если представить Землю шаром с диаметром двадцать метров (согласитесь, внушительное сооружение), то глубина земных океанов в среднем будет около пяти миллиметров, самые глубокие океанские впадины и самые высокие горы – около полутора сантиметров. Так, небольшие шероховатости. А пленка жизни на поверхности этого шара окажется вещью совершенно микроскопической, ни на глаз, ни на ощупь вы эту пленку не обнаружите, ну разве что цвет поверхности планеты будет местами зеле-новатым. Однако эта пленка состоит из огромных, по сравнению с любым другим веществом, и очень сложных молекул. Молекулы организованы в головоломные, но строго упорядоченные комплексы, и в этом микроскопическом слое идут совершенно необычные, очень бурные и стремительные химические реакции. И что особенно странно, реакции не замедляются, и количество гигантских молекул практически не меняется, хотя при такой химической активности весь реагирующий материал должен очень быстро израсходоваться и поверхность планеты должна прийти в тот разумный и приличный вид, какой имеют все остальные планеты такого типа.

Во вселенском масштабе жизнь – это, прежде всего, очень странный, совершенно невероятный химический процесс. Всякие другие странности, вроде устройства отдельных комплексов молекул и их поведения, на этом фоне просто теряются. И изобретенный нами вселенский дух, скорее всего, никогда бы не узнал, что эта микроскопическая пленка состоит из кошек, собак, людей, деревьев и инфузорий, что они спят, охотятся и играют, что-то любят, а чего-то терпеть не могут.

Химические процессы, из которых, собственно, жизнь и состоит, изучает раздел биологии – биохимия. Хотя бы самое минимальное представление о ней стоит иметь любому биологу, даже если он занимается изучением семейной жизни бенгальских тигров. Давайте коснемся этой науки и мы.

Четыре кита

Основу любого живого организма составляют четыре группы веществ: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и жиры, точнее – липиды. Первые две группы веществ имеют очень крупные молекулы. И молекулы эти состоят не из простой углеродной цепочки, а из последовательности сложных звеньев. Эти звенья повторяются в цепи в определенном порядке. Вся макромолекула называется полимером, а ее звенья – мономерами.

В белках и нуклеиновых кислотах последовательность мономеров не только определяет форму молекулы и ее химические свойства. Она еще служит кодом, несущим определенную информацию. И этот код определяет все процессы, идущие в живом организме. А вот углеводы (поли-меры сравнительно простые) и липиды (которые вовсе не полимеры) хранителями информации не являются.

В состав всех живых организмов входят: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, натрий, калий, кальций, хлор, магний, железо, медь, марганец, цинк, кобальт. Некоторые эксцентричные существа включают в себя кремний, йод, бор и прочие изыски. Но таких сравнительно немного. Асцидии, наши дальние родственники по типу хордовых, выделяют из морской воды и накапливают в своем организме довольно редкий элемент ванадий.

При всем огромном разнообразии живущих на Земле организмов биохимические процессы, происходящие в них, на удивление сходны. Сходны живые существа и по химическому составу. С точки зрения биохимика, амеба практически ничем не отличается от нас с вами. Даже растения и животные, существа с разным способом получения энергии, во многом подобны. Сильно уклоняющиеся формы встречаются только среди бактерий, самой древней группы живых существ, от которой, вероятно, произошли все остальные формы жизни.

Говоря о четырех китах, на которых держится жизнь, мы следовали биохимической традиции. На самом деле этих китов пять, и пятый из них – простая вода. Всякий живой организм больше чем наполовину состоит из воды. Вода служит транспортным средством, доставляющим из одной части организма в другую необходимые вещества. Вода участвует во многих биологических процессах и как самостоятельный активный элемент, и в качестве растворителя.

С точки зрения биохимика, амеба, орхидея (любка) и человек почти не отличаются

Еда, скелет и броня

Если рассматривать углеводы только с точки зрения их состава, то оказывается, что, кроме углерода, в них присутствуют водород и кислород, причем в том же соотношении, что и в воде. Общая формула углеводов – Сх(Н2О)у, они как бы состоят «из угля и воды», почему и получили такое название. Углеводы могут образовывать простые цепочки, ветвящиеся цепочки, могут складываться в кольцевые структуры. Роль их в химической кухне организма велика и разно-образна.

Углеводы, которые не полимеры и состоят из простой цепочки (или кольца), называются сахарами. Они имеют сладкий вкус, и их название всегда оканчивается на «-оза» – рибоза, сахароза, глюкоза, фруктоза. Правда, такие есть и среди других углеводов, например, целлюлоза, которая сахаром никак не является. Почему она имеет такое же окончание? – вопрос к химикам.

Сахара могут служить источником энергии, организм расщепляет их на составные части и использует для самых разных целей энергию их химических связей. Но не менее важная их роль – участие в синтезе многих необходимых организму соединений.

Сахара и их «кусочки» используются при сборке многих ферментов, нуклеиновых кислот, в том числе ДНК. Используются сахара и для синтеза полимерных полисахаридов, в которых они выступают в качестве мономеров.

Углеводы: 1 – глюкоза; 2 – простая цепочка молекул глюкозы; 3 – цепочки глюкозы, соединенные водородными связями (целлюлоза)