<< Пред. стр. 9 (из 16) След. >>
Список литературы по разделу
Вне всякого сомнения, нитинол найдет более широкое применение: при ремонте газо-, нефте- и газопроводов, а также при решении других задач.
Жидкие кристаллы. Жидкие кристаллы - это жидкости, обладающие, как и кристаллы, анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с упорядоченной ориентацией молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике (в температурных датчиках, индикаторных устройствах, модуляторах света и т. д.). 256
Жидкокристаллическое вещество состоит из органических молекул с преимущественно упорядоченной ориентацией в одном или двух направлениях. Оно обладает текучестью, как жидкость. Кристаллическая упорядоченность молекул жидких кристаллов подтверждается их оптическими свойствами. Различают три основных типа жидких кристаллов: немати-ческие, смектические и холестерические (рис. 6.16). Наименьшую упорядоченность имеют нематические жидкие кристаллы. Молекулы их параллельны, но сдвинуты вдоль своих осей одна относительно другой на произвольные расстояния, т.е. длинные, узкие и в то же время весьма жесткие молекулы выстраиваются подобно сплавляемым по реке бревнам (см. рис. 6.16, а). Более сложная форма молекул - в виде плоскостей, из которых образуется многослойная относительно упорядоченная структура, наблюдается в жидких смектических кристаллах (см. рис. 6.16, б). По структуре жидкие холестерические кристаллы похожи на нематические, но отличаются от них закручиванием молекул в направлении, перпендикулярном их длинным осям (см. рис. 6.16, в). Шаг такой спиральной структуры сравнительно большой - несколько микрометров.
Под действием даже очень слабого электрического поля нарушается равновесие ориентированных молекул, при этом изменяются оптические свойства жидкокристаллического вещества: например, из прозрачного оно переходит в светонепроницаемое.
17-3290 257
Прогресс в создании новых жидкокристаллических материалов во многом зависит от успешного синтеза молекул сферической, стержне-или дискообразной формы. Одно из перспективных направлений в химии жидких кристаллов - формирование таких структур при синтезе полимеров.
Оптические материалы. Подобно тому, как в микроэлектронике транзисторы вытеснили электронные лампы, тончайшие кварцевые нити вытесняют медную проволоку многожильного кабеля. На смену электрическому сигналу, посылаемому по медному проводу, постепенно приходит значительно более информативный световой сигнал, распространяющийся по светопроводящим волокнам.
Прогресс в развитии световолоконной индустрии во многом определился технологической возможностью изготовления высокопрочной кварцевой нити путем химической конденсации паровой фазы. Толщина полученной таким образом кварцевой нити со стеклянным покрытием составляет примерно 0,1 толщины человеческого волоса. Совершенствование технологии изготовления кварцевых нитей позволило менее чем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких, как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. Волоконная оптика открывает чрезвычайно большие возможности для передачи огромного объема информации на большие расстояния. Уже сегодня многие телефонные станции, телевидение с успехом пользуются волоконно-оптической связью.
Современная химическая технология сыграла важную роль и при создании материалов для оптических устройств переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Оптические устройства оперируют в новых временных масштабах обработки световых сигналов. Например, оптический переключатель срабатывает за одну миллионную миллионной доли секунды. В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия-алюминия. Органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены обладают лучшими оптическими свойствами, чем ниобат лития, и являются весьма перспективными материалами для новых оптических устройств.
Материалы диссоциации металлоорганических соединений. При термической диссоциации ряда металлоорганических соединений получаются чистые металлы различной твердой формы, обладающие уникальными свойствами. К металлоорганическим соединениям относятся:
- карбонилы: W(CO)6, Mo(CO)6, Fe(CO)5, Ni(CO)4; 258
- ацетилацетонаты металлов: Cu(C5H7O2)2, Pd(C5H7O2)2, Pt(C5H7O2)2,
Ru(C5H7O2)3;
- дикарбонилацетонат родия: Rh(C5H7O2)2 (CO)2 и др.
Этим соединениям в газообразном состоянии присуща высокая летучесть. Они разлагаются при нагревании до 100- 150 °С. В результате термической диссоциации можно получить чистую металлическую фазу в различных конденсированных формах: высокодисперсные порошки, металлические вискерсы, беспористые тонкопленочные материалы, ячеистые металлоны, металлические волокна и бумага.
Высокодисперсные порошки состоят из частиц малых размеров (до 1 - 3 мкм) и используются для производства металлокерамики - композиций металлов с оксидами, нитридами, боридами, синтезируемых методом порошковой металлургии. Металлические порошки, например железа и никеля, обладающие магнитными свойствами, применяются в радиоэлектронике и электротехнике.
Металлические вискерсы - нитевидные кристаллы диаметром 0,5-2,0 мкм и длиной 5-50 мкм. Для них характерна высокая прочность, примерно в 10 раз превышающая прочность самых высококачественных сталей, высокая устойчивость к окислению и необычные магнитные свойства. Подобные кристаллы формируются на активных центрах подложки, где в парамагнитных кластерах образуется своеобразная ступенчатая монокристаллическая структура. Металлические вискерсы представляют практический интерес для синтеза новых композиционных материалов с металлической или пластмассовой матрицей.
Беспористые тонкопленочные материалы отличаются высокой плотностью упаковки атомов. По величине отражения света они приближаются к серебру. Беспористое тонкопленочное покрытие толщиной около 90 мкм надежно защищает металл от коррозии даже в самой агрессивной среде. Их коррозионная стойкость примерно в 5 раз выше, чем, например, гальванических покрытий.
Ячеистые металлы образуются при осаждении металла в результате проникновения паров металлорганических соединений в поры другого материала, где формируется ячеистая металлическая структура.
Металлизированные волокна и бумага обладают уникальными механическими, теплофизическими и электропроводными свойствами. В будущем они найдут широкое применение.
Тонкопленочные материалы для накопителей информации. Лю
бая современная вычислительная машина, в том числе и персональный
компьютер, содержит накопитель информации - запоминающее уст
ройство, способное накапливать и хранить большой объем информации.
17* 259
Большинство накопителей информации базируется на магнитной записи. В накопителях информации на подвижном магнитном носителе, где основное - это накопление информации, важным параметром является поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящейся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя информации.
Изготовление современных магнитных накопителей большой емкости основано на применении тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых магнитных материалов и в результате совершенствования технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз: в 1998 г. она составляла примерно 12 Гбит/дюйм2, а в 2000 г. - около 100 Гбит/дюйм2.
Запись с высокой поверхностной плотностью осуществляется на носитель, рабочий слой которого формируется из тонкопленочного кобальтсодержащего материала, например сплава CoPtCr с уникальной магнитной структурой. Высокую плотность записи можно реализовать только с помощью преобразователей, тонкопленочный материал магнитопровода которых характеризуется большой магнитной индукцией насыщения и высокой магнитной проницаемостью. Такими свойствами обладают пер-маллоевые (железоникелевые) пленки, тонкопленочные материалы Fe16N2, многослойные пленки FeSi/NiFe и другие материалы.
Для воспроизведения записанной с высокой плотностью информации применяется высокочувствительный тонкопленочный элемент, электрическое сопротивление которого изменяется в магнитном поле. Такой элемент называется магниторезистивным. Он напыляется из высокопроницаемого магнитного материала, например пермаллоя. Относительное изменение электрического сопротивления пермаллоевого элемента в магнитном поле составляет около 2%. Эта величина, как показали результаты экспериментальных исследований последнего десятилетия, может достигать (например, в многослойных тонкопленочных материалах, однослойных гранулированных пленках и других материалах) десятков процентов, поэтому их называют материалами со сверхгигантским магнетосопротивлением.
Таким образом, с применением тонкопленочных магнитных материалов при изготовлении накопителей информации большой емкости уже реализована довольно высокая плотность записи информации. При модернизации таких накопителей и внедрении новых материалов следует ожидать дальнейшего увеличения информационной плотности, что весьма важно для развития современных технических средств записи, накопления и хранения информации. 260
Контрольные вопросы
1. Что является предметом изучения химии?
2. Какие задачи ставили алхимики?
3. Что такое химический элемент?
4. Сформулируйте закон кратных соотношений.
5. Дайте формулировку Периодического закона Менделеева.
6. Каковы темпы роста производства химической продукции?
7. В чем заключается специфика современных средств управления химическими про
цессами?
8. Что такое селективный синтез?
9. Каков молекулярный механизм фотосинтеза?
10. Охарактеризуйте основные виды катализа.
11. Чем отличается гетерогенный катализ от гомогенного?
12. Каким образом изучается химический состав космических объектов?
13. Каково процентное содержание химических элементов в верхнем слое земной
коры?
14. Охарактеризуйте природные запасы металлов.
15. Назовите основные виды неметаллического сырья.
16. Как используется вторичное сырье?
17. Каковы запасы органического сырья?
18. Какие операции включает переработка нефти?
19. Для каких целей используется уголь?
20. Каковы перспективы использования биомассы?
21. Как получаются сверхтяжелые трансурановые элементы?
22. Что такое остров стабильности?
23. Где применяют радиоактивные изотопы?
24. В чем заключаются преимущества плазмохимической технологии?
25. Что такое самораспространяющийся высокотемпературный синтез?
26. Почему с повышением давления повышается химическая активность реагентов?
27. Как выращивается искусственный алмаз?
28. Каковы перспективы применения фуллеренов?
29. Назовите основные виды пластмасс.
30. Как можно изменить свойства синтезируемого полимерного материала?
31. В чем заключается отличительное свойство эластомеров?
32. Какими свойствами обладают современные синтетические ткани?
33. Какое химическое сырье производят из древесины?
34. Охарактеризуйте новые виды стекла?
35. Как обеспечиваются новые свойства традиционных материалов?
36. Дайте краткую характеристику современным силикатным и керамическим материа
лам.
37. Каковы способы зашиты материалов?
38. Назовите основные виды перспективных материалов.
39. Как можно повысить прочность материалов?
40. Приведите примеры применения редких металлов.
41. Где применяются нитиноловые изделия?
42. Какими свойствами обладают материалы диссоциации металлорганических соеди
нений?
43. Что такое металлические вискерсы?
44. Какие материалы применяются для современных накопителей информации?
261
7. БИОСФЕРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ
7.1. ЗАРОЖДЕНИЕ ЖИВОЙ МАТЕРИИ
Удивительная красота природы, ее богатейший растительный и животный мир, гармония живой и неживой природы - все это наводит на мысль: живая материя неотделима от неживой, в недрах которой рождается все живое, постоянно пополняя ее, и, кажется, жизненный круговорот в природе существует изначально и вечно. Но все же, если отвлечься от поверхностного и эмоционального восприятия красоты и гармонии природы, можно прийти и к несколько другому выводу - все-таки в начале образовалась неживая материя, породившая живую, которая проявляется в самых разнообразных формах. Как это произошло и когда - пока трудно даже предполагать. По-видимому, переход неживой материи к живой произошел после возникновения двух основополагающих жизненных систем - системы обмена веществ и системы воспроизведения материальных основ жизни. В современных организмах обе системы достигли высочайшего уровня совершенства. Одна и та же их физико-химическая природа для всех живых организмов независимо от их сложности дает основание полагать, что древо жизни произрастало из одного черенка.
Названные жизненные системы обусловливают основные признаки: рост и развитие, наследственность, изменчивость, саморегуляция и т.п. Поэтому, вне всякого сомнения, наличие системы обмена веществ и воспроизведения материальных основ жизни - главное отличительное свойство живых организмов.
Система обмена веществ поддерживает равновесное состояние живого организма. Такая сложная задача решается путем отбора и синтеза нужных организму веществ. При этом из организма выводятся все не усвоенные им вещества. Система обмена обеспечивает взаимосогласованные в высшей степени биохимические реакции синтеза и расщепления белков. Можно только завидовать тому, как экономно, филигранно и рационально осуществляет природа функцию обмена веществ во всех живых организмах - от простейшей клетки до высших организмов. Не случайно многие ученые с давних времен стремятся создать лабораторию живого организма.
Система воспроизведения материальных основ жизни содержит в закодированном виде полную информацию для развития и воспроизведения живого организма. Ключевая роль при этом принадлежит природному полимерному соединению - дезоксирибонуклеиновой кислоте, вы-
262
полняющей функции носителя генетической информации и рибонуклеиновой кислоте, которая служит для передачи информации от хромосом к местам синтеза белков.
Рассматривая вопрос о зарождении живых организмов, следует назвать еще одну важнейшую отличительную особенность, связанную с оптической активностью органических веществ живых организмов, т.е. способность поворачивать плоскость поляризации либо влево, либо вправо. Все белковые молекулы живых организмов поворачивают плоскость поляризации влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию - L-конфигурацию, а молекулы нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) - только вправо, т.е. обладают правой, или D-конфигурацией. Этот факт тем более удивителен, что при синтезе органических соединений аналогичного состава в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число молекул с правой и левой конфигурацией, поэтому их плоскость поляризации не поворачивается. Смесь органических молекул обеих конфигураций называется рацематом. Предполагается, что в пред-жизненный период образования органических соединений существовал только рацемат.
Молекулы с одинаковым химическим составом могут отличаться своей пространственной структурой, как левая и правая рука. Свойство молекул не совмещаться со своим отображением в плоском зеркале называется хиральностью, которая является необходимым условием оптической активности. При зарождении жизни произошла сортировка молекул, появилась хиральность и белки с L-конфигурацией, а ДНК и РНК с D-конфигурацией. Для объяснения такого процесса французский ученый Луи Пастер (1822-1895), основоположник микробиологии, открывший оптическую активность вещества живых организмов, выдвинул гипотезу: зеркальная асимметрия живых систем обусловлена асимметрией Вселенной. Отдавая должное широте взглядов выдающегося ученого, еще в XIX в. связавшего жизнь на Земле и Вселенную в единое целое, следует отметить: асимметрия Вселенной нарушила бы симметрию любого органического вещества независимо от природы его происхождения. В развитие гипотезы Пастера выдвигались разные предположения, одно из которых сводилось к утверждению существования каких-то агентов, оказывающих асимметричное воздействие на молекулы живых организмов. Однако обнаружить такие агенты пока не удалось. Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор органическими молекулами определенного вида зеркальной симметрии послужил главной предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и почему произошел такой выбор, - до сих пор остается одной из самых больших загадок естествознания.
Несмотря на существенные различия между живой и неживой материей, их объединяет то, что в состав клеток живых организмов входят те же химические элементы, которые встречаются и в неживой природе.
263
Так, 75 - 85% массы клетки составляет вода, 10 - 20% - белки, 1 - 5% - жиры, 0,2 - 2% - углеводы, 1 - 2% - нуклеиновые кислоты, 0,1-0,5% - низкомолекулярные органические соединения, 1 - 1,5% - неорганические вещества. И все эти органические и неорганические соединения состоят из 80 химических элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Химических элементов, свойственных только живой материи, в природе не существует. Это и есть одно из доказательств общности живой и неживой материи.
7.2. НОСИТЕЛЬ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Структура ДНК. Хранение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полимеры - нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности - дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК). В состав ДНК входят азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Г), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С5Н10О4 и остаток фосфорной кислоты. В РНК вместо тимина содержится урацил (У), а вместо дезоксирибо-зы - рибоза (С5Н10О5). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримиди-новых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы).
Молекулы ДНК находятся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокари-отных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль (рис. 7.1). Структурная модель ДНК в виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916), удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном (р. 1916), получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии 1962 г.
Нуклеотиды соединяются в цепь посредством ковалентных связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяются в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклео-тид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый - с цитозиновым (рис. 7.2). При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним, и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК - принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 - 3,5 млрд. 264
ДНК - материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген (от греч. genos - род, происхождение) - единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) - генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме - мутациям.
Генетический код обладает удивительными свойствами. Главное из них - триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом распо-
265
ложенными нуклеотидами - триплетом, называемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Другое не менее важное свойство - код един для всего живого на Земле. Это свойство генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.
Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения - образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга (рис. 7.3). Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.
266
Кодирование генетической информации и репликация молекул ДНК - два важнейших взаимосвязанных процесса, составляющих основу развития и воспроизведения живых организмов.
Генетические свойства. Накануне открытия структуры молекулы ДНК известные биологи считали, что вторгнуться в наследственный аппарат, а тем более манипулировать с ним наука сможет лишь в XXI в. Однако, несмотря на сложность структуры и свойств наследственного материала, уже в конце XX в. родилась новая отрасль молекулярной биологии и генетики - генная инженерия, основная задача которой заключается в конструировании новых, не существующих в природе сочетаний генов. В последнее время эта отрасль называется генной технологией. Она открывает возможности выведения новых сортов культурных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективных лекарственных препаратов и т.д.
Проведенные в последнее время исследования показали, что наследственный материал не стареет. Генетический
анализ эффективен даже в том случае, когда молекулы ДНК принадлежат весьма далеким друг от друга поколениям. Сравнительно недавно была поставлена задача определить, кому принадлежат останки, найденные в захоронении под Екатеринбургом. Царской ли семье, расстрелянной в этом городе в 1918 г.? Или слепой случай собрал в одну могилу такое же число мужских и женских останков? Ведь в годы гражданской войны погибли миллионы... Образцы останков были отправлены в английский центр судебно-медицинской экспертизы - там уже накоплен большой опыт генного анализа. Из костной ткани исследователи выделили молекулы ДНК и провели анализ. С точностью 99% установлено: в исследуемой группе находятся останки отца, матери и их трех дочерей. Но может быть, это не царская семья? Предстояло доказать родство найденных останков с членами английского королевского дома, с которым Романовы связаны довольно близкими родственными узами. Анализ подтвердил родство погибших с английским королевским домом, и служба судеб-
267
но-медицинской экспертизы сделала заключение: найденные под Екатеринбургом останки принадлежат царской семье Романовых.
Одно из чудес природы - неповторимая индивидуальность каждого живущего на Земле человека. "Не сравнивай - живущий несравним", - писал О. Мандельштам. Ученым долгое время не удавалось найти ключ к разгадке индивидуальности человека. Сейчас известно, что вся информация о строении и развитии живого организма "записана" в его геноме. Генетический код, например, окраски глаз человека отличается от генетического кода окраски глаз кролика, но у разных людей он имеет одинаковую структуру и состоит из одних и тех же последовательностей ДНК.
Ученые наблюдают огромное разнообразие белков, из которых построены живые организмы, и удивительное однообразие кодирующих их генов. Разумеется, в геноме каждого человека должны быть какие-то области, определяющие его индивидуальность. Долгий поиск увенчался успехом - в 1985 г. в геноме человека обнаружены особые сверхизменчивые участки - мини-сателлиты. Они оказались настолько индивидуальны у каждого человека, что с их помощью удалось получить своеобразный "портрет" его ДНК, точнее, определенных генов. Как же выглядит этот "портрет"? Это сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка размытый спектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Такое сочетание полос называют ДНК-отпечатками по аналогии с отпечатками пальцев.
С помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию личности гораздо более точную, чем это позволяют сделать традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови. Причем ответ генной экспертизы исключает слово "возможно". Вероятность ошибки чрезвычайно мала. Таким эффективным методом экспертизы уже пользуются криминалисты. С помощью ДНК-отпечатков можно расследовать преступления не только настоящего времени, но и далекого прошлого. Генная экспертиза по установлению отцовства - наиболее частый повод обращения судебных органов к генетической дактилоскопии. В судебные учреждения обращаются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающие получить развод на основании того, что их муж не отец ребенка. Идентификацию материнства можно проводить по отпечаткам ДНК матери и ребенка в отсутствие отца, и наоборот, для установления отцовства достаточно ДНК-отпечатков отца и ребенка. Генетиков всего мира интересуют сейчас прикладные аспекты генетической дактилоскопии. Обсуждаются вопросы паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев. Таким образом, генетические свойства отражают индивидуальность живых организмов и вместе с тем характеризуют их наследственную связь.
268
7.3. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ
Структура белков. Белки - важнейшая составляющая живых клеток - представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот. Аминокислоты - органические соединения, в состав которых входят карбоксильные группы СООН, аминогруппа NH2 и углеводородный радикал. По своей структуре белки относятся к полимерам. Их молекулы имеют форму длинных цепей, состоящих из повторяющихся молекул - мономеров.
Общая формула аминокислот, образующих белок, имеет вид
Из формулы видно, что к центральному атому углерода присоединены четыре разные группы. Три из них - атом водорода Н, щелочная аминогруппа H2N- и карбоксильная группа СООН- для всех аминокислот одинаковы. По составу и структуре четвертой группы, обозначенной R, аминокислоты отличаются друг от друга. В самых простых структурах, например в молекуле глицина, такая группа представляет собой атом водорода, в молекуле аланина -СН3 и т.д.
Химическая связь -СО-NH-, соединяющая в молекулах белков аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, называется пептидной связью.
Все активные организмы, будь то растения, животные, бактерии или вирусы, содержат белки, построенные из одних и тех же аминокислот. Поэтому в любой пище содержатся те же аминокислоты, которые входят в состав белков организмов, потребляющих пищу.
Белки - это природные органические соединения, состоящие из макромолекул, относительная молекулярная масса которых составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Каждая аминокислота белка содержит специфическую для нее группу. Аминокислоты образуют своеобразный алфавит из 20 букв, которые объединяются в группы (слова), определяющие молекулярную структуру белка и его биологическую функцию.
269
В определении "белки - это полимеры, построенные из 20 разных аминокислот" содержится их неполная характеристика. В лабораторных условиях не составляет труда в растворе аминокислот получить пептидные связи и сформировать длинные молекулярные цепи. Однако в таких цепях расположение аминокислот хаотическое, и образовавшиеся молекулы отличаются друг от друга. В то же время в каждом из природных белков порядок расположения отдельных аминокислот всегда один и тот же. А это означает, что при синтезе белка в живой системе используется информация, в соответствии с которой формируется вполне определенная для каждого белка последовательность аминокислот, определяющая пространственную структуру белка.
Образование молекул белков в клетках из аминокислот называется биосинтезом. В процессе биосинтеза белков определяющую роль играет генетическая информация об их структуре. Биосинтез белков состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции. Транскрипция - это синтез молекул всех типов РНК на одной из цепей молекулы ДНК при помощи ферментов РНК-полимеразы. Трансляция - перевод информационной РНК в последовательность аминокислот. Сборка одной молекулы белка, состоящей из 200 - 300 аминокислот, происходит за 1 - 2 мин и требует сравнительно больших затрат энергии.
В последнее время в результате расшифровки генетического кода разработаны методы определения последовательностей аминокислот в белках. В лаборатории удалось синтезировать некоторые виды белков, идентичных природным аналогам, что весьма важно для развития современной биотехнологии.
Белки - основа кожи, шерсти, шелка и других натуральных материалов, важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Со второй половины XX в. для получения пищевых и кормовых белков применяется микробиологический синтез.
Функции белков. Во всех живых организмах белки играют исключительно важную роль: они участвуют в построении клеток и тканей, являются биокатализаторами (ферментами), гормонами, защитными веществами и др.
Одна из важнейших функций белков - строительная: по процентному содержанию веществ в клетке белки занимают второе место и определяют, таким образом, белковую природу всех живых организмов. Чрезвычайно важна каталитическая функция белков ферментов. Появление органических катализаторов - ферментов - стало одной из поворотных точек в развитии жизни на Земле. Ферменты намного эффективнее неорганических катализаторов и более избирательны: они помогают извлекать из сложной смеси только одно вещество и превращать его не в несколько продуктов, а только в один. Ферменты можно считать природны-270
ми нанороботами, главным рабочим инструментом всего живого. Они отвечают за все химические реакции, протекающие в живом организме: обеспечивают энергией и строительным материалом; создают и разрушают сигнальные молекулы, необходимые для регуляции жизненных процессов; защищают организм от чужеродных веществ. Еще ферменты перезаписывают и размножают наследственную информацию, т.е. участвуют в синтезе РНК и ДНК, самих себя и других белков.
Химическую природу ферментов впервые определил в 1926 г. американский биохимик Дж. Самнер (1887 - 1955), лауреат Нобелевской премии 1946 г. Из соевых бобов он выделил в кристаллической форме фермент уреазу и доказал его белковую природу.
Дальнейшие исследования показали, что все ферменты за редким исключением вещества белковой природы. Однако биологические функции белков многообразны. Трудно назвать процессы, в которых белки не принимают участия. В частности, белки-гормоны регулируют основные жизненно важные процессы: рост, развитие, размножение, обмен веществ. Кроме того, белок входит в состав гемоглобина (красного дыхательного пигмента крови человека и многих животных), который переносит кислород от органов дыхания к тканям, а углекислый газ - от тканей к дыхательным органам. Роль гемоглобина чрезвычайно велика: он доставляется кровеносной системой ко всем органам и в самые удаленные части тела и снабжает клетки кислородом. Белки-иммуноглобулины выполняют важную для организма защитную функцию. Они содержатся в глобулиновой фракции плазмы крови и участвуют в создании иммунитета. Мышечные сокращения и внутриклеточное движение - результат взаимодействия молекул белков, функция которых, кроме того, заключается и в координации движения.
Таким образом, белки принимают участие во всех жизненных процессах, составляющих основу жизнедеятельности живых организмов.
7.4. СТРОЕНИЕ И РАЗНОВИДНОСТИ КЛЕТОК
Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из клеток, образующих ткани различных органов и их систем. Клетка представляет собой элементарную живую систему, основу строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Она может существовать как самостоятельный организм (простейшие, бактерии), так и в составе многоклеточных организмов. Размеры клеток варьируются в пределах от 0,1 - 0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Число клеток в организмах различно. Например, тело взрослого человека состоит из 1015 клеток, а различных их видов в нем более 200.
271
Подобно любому организму клетка способна питаться, расти и размножаться, вследствие чего ее можно считать живым организмом. Отдельные составляющие ее части не обладают жизненными функциями. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться, что широко используется в исследовательских и прикладных целях.
Термин "клетка" впервые предложил в 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук для описания ячеистой структуры наблюдаемого под микроскопом среза пробки. Утверждение о том, что все ткани животных и растений состоят из клеток, составляет сущность клеточной теории. В экспериментальном обосновании клеточной теории важную роль сыграли труды немецких ученых-ботаников Матгиаса Шлейдена (1804-1881) и Теодора Шванна (1810-1882).
Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки имеют общее строение: они состоят из трех основных частей - плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра с носителем генетической информации (рис. 7.4). Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли - цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой - клеточной стенкой. Кроме того, они включают пластиды - цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску. 272
Окружающая клетку плазматическая мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Она обладает избирательной проницаемостью и поддерживает нормальную концентрацию солей, Сахаров, аминокислот и других продуктов обмена веществ. Мембрана играет важную роль: при ее повреждении клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структурных элементов жизнь клетки может продолжаться. Изменение проницаемости наружной мембраны - первый признак гибели клетки.
Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма, содержащая водный раствор солей с растворимыми ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органел-лы - маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органел-лам, в частности, относятся митохондрии - мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца - рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК) и принимающие участие в биосинтезе белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, несмотря на то что 75 - 85% массы клетки составляет вода.
Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро. Ядро - важнейшая часть клетки: без него она не может существовать. В ядре находятся хромосомы - длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка. Например, соматическая клетка человека имеет 23 пары хромосом, а шимпанзе - 24.
Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние. При делении дочерней клетке передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию материнской клетки. Для чего вначале число хромосом в клетке удваивается и затем каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий равное распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.
Не все клетки организма многоклеточного животного или растения
одинаковы. Видоизменение клеток происходит постепенно в процессе
развития организма. Каждый организм животного развивается из одной
клетки - яйца, которое начинает делиться, и в конечном результате об
разуется множество отличающихся друг от друга клеток - мышечные,
нервные, кровяные и др. Различие клеток определяется прежде всего на
бором белков, синтезируемых клеткой. Во всех клетках растений или ор
ганизмов животных хранится полная генетическая информация для по
строения всех белков определенного вида организма, но в клетке каждого
типа синтезируются лишь те белки, которые ей нужны.
18 - 3290 273
В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы - прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам - все остальные организмы - простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты бывают одноклеточными и многоклеточными. Прокариоты все одноклеточные. Они, в отличии от эукариот, не обладают оформленным клеточным ядром. Их молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. Деление прокариот происходит без митоза. Размеры их относительно небольшие. Наследование признаков в них основано на передаче ДНК дочерним клеткам. Предполагается, что первыми организмами, появившимися на Земле около 3,5 млрд. лет назад, были прокариоты.
Клетки эукариот содержат митохондрии - специализированные ор-ганеллы, в которых происходят процессы окисления. В клетках растений, помимо митохондрий есть хлоропласты, способные производить фотосинтез, в результате которого из углекислого газа и воды образуются органические вещества. Хлоропласты и митохондрии очень похожи на некоторых бактерий, способных к фотосинтезу. В этой связи в 1910 г. российский биолог К.С. Мережковский (1855-1921) высказал предположение: хлоропласты и митохондрии произошли от свободноживущих бактерий, которые проникли в прокариотную клетку. Вначале они были внутриклеточными паразитами, затем в результате эволюции стали приносить пользу клетке-хозяину и постепенно превратились в хлоропласты и митохондрии. Возможно, таким образом примерно 1400 млн. лет назад возникли клетки эукариот.
Если одноклеточный организм, например бактерия, не гибнет от внешнего воздействия, то он остается бессмертным, т. е. не умирает, а делится на две новые клетки. Многоклеточные организмы живут лишь ограниченное время. В организмах животных они содержат два типа клеток: соматические и половые. Половые клетки, так же как и бактерии, бессмертны. После оплодотворения образуются соматические клетки, которые смертны, и новые половые.
Растения содержат особую ткань - меристему, состоящую из клеток, способных образовывать другие типы клеток. По этому признаку клетки меристемы похожи на половые, т.е. их можно считать бессмертными. Они обновляют ткани растений, поэтому некоторые виды растений могут жить тысячи лет. В организмах примитивных животных (губки, актинии) есть подобная ткань, и они живут сравнительно долго.
Соматические клетки высших животных делятся на два вида. Один из них - клетки, живущие недолго, но постоянно возобновляющиеся за счет особой ткани - меристемы. К ним относятся, например, клетки эпидермиса - поверхностного слоя кожи. Другой вид - клетки нервные, мышечные и др. Во взрослом организме они не делятся и поэтому не возобновляются, стареют и гибнут. 274
Принято считать, что главная причина старения организма - утеря генетической информации. Молекулы ДНК постепенно повреждаются мутациями, что приводит к гибели клеток и всего организма. Поврежденные участки молекулы ДНК способны восстанавливаться благодаря ре-паративным ферментам. Хотя их возможности ограничены, но они играют важную роль в продлении жизни организма.
7.5. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
Происхождение жизни - один из самых сложных, трудных и в то же время интересных вопросов современного естествознания. В лабораторных условиях до сих пор не удалось воспроизвести процессы возникновения жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь даже тщательно поставленный опыт - лишь модель, приближенно учитывающая условия появления жизни на Земле. Тем не менее постепенно расширяются представления о зарождении жизни. Существенный вклад в решение вопроса о происхождении жизни внесли академик АН СССР, биохимик А.И. Опарин (1894-1980), английские естествоиспытатели Дж. Бер-нал (1901-1971), Б.С. Холдейн (1892-1964) и др.
История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в процессах развития нашей планеты формировались основные условия зарождения жизни - диапазоны температур, влажности, давления, уровень радиации и т. п. Например, диапазон температур, в котором возможна активная жизнь, довольно узок (рис. 7.5).
Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы,
как уже отмечалось, заключается в том, что Земля и все планеты сконден
сировались из космической пыли и газа, рассеянных вокруг Солнца. Во
внешних областях Солнечной системы в результате конденсации газов
образовались различные летучие органические соединения, содержащие
один из основных элементов всех живых организмов - углерод. При на
гревании Солнцем они вновь превращались в газ, а из некоторой их части
под действием излучения образовались менее летучие вещества - угле
водороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота. Воз
можно, из пылевых частиц с оболочками из органических соединений
сформировались сначала астероиды, а затем планеты. Такие предположе
ния подтверждают то, что планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран -
состоят преимущественно из метана, водорода, аммиака, льда и других
веществ. Более того, в метеоритах обнаружен аденин - одна из амино
кислот, входящих в состав молекулы ДНК. Аденин удалось синтезиро
вать в лабораторных условиях при моделировании первичной атмосферы
Земли, а органические соединения, играющие большую роль в обмене ве-
275
ществ живых организмов, - щавелевую, муравьиную и янтарную кислоты - получили при облучении водных растворов углекислоты.
Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, по-видимому, метан, аммиак, водяной пар и водород. При воздействии в лаборатории на смесь таких газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением синтезированы сложные органические вещества, входящие в состав натуральных белков. Вероятно, электрические разряды, световая и ультрафиолетовая радиация еще до образования Земли или на самой первой стадии ее развития способствовали образованию сложных органических веществ.
Какие же химические элементы являются основными слагаемыми всего живого, его "кирпичиками"? Это, в первую очередь кислород, углерод, водород и азот. Их принято называть органогенами. В живой клетке, например, по массе содержится около 70% кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Количество фосфора, калия, хлора, серы, кальция, 276
натрия, магния, железа не превышает десятых долей процента. Медь, цинк, иод, фтор и другие элементы составляют тысячные и десятитысячные доли процента.
Особая роль в живых организмах принадлежит углероду. Говорят, что жизнь на нашей планете "углеродная": многие органические соединения живых организмов содержат углерод. Число органических соединений на его основе огромно - миллионы. Они химически активны при сравнительно невысокой температуре. Из их молекул образуются длинные цепи различной формы, при перестройке которых существенно меняется их активность, возрастающая при наличии катализаторов.
На ранней стадии образования органических веществ из неорганических, вероятно, действовал предварительный отбор соединений, из которых появились организмы. Из множества образовавшихся веществ сохранились лишь наиболее устойчивые и способные к дальнейшему усложнению.
Для построения любого сложного органического соединения живых организмов нужен небольшой набор составных блоков - мономеров (низкомолекулярных соединений). Например, всего лишь 29 сравнительно несложных мономеров достаточно для построения любого живого организма. В число их входят 20 аминокислот, из которых состоят все белки, 5 азотистых оснований (из них в комбинации с другими веществами образуются носители наследственности - нуклеиновые кислоты), а также глюкоза - важнейший источник энергии, необходимой для жизнедеятельности, и жиры - структурный материал мембран клеток и накопитель энергии. Такое сравнительно небольшое число органических соединений - результат естественного отбора, выделившего в течение почти миллиарда лет из огромного количества веществ лишь необходимые для живых систем. Это означает, что эволюции организмов предшествовала очень длительная химическая эволюция.
Соединения на основе углерода образовали "первичный бульон" гидросферы. Согласно одной из гипотез, содержащие углерод и азот вещества возникали в расплавах в глубине Земли и выносились на поверхность при извержении вулканов. Размываясь водой, они попадали в океан, где и образовывался "первичный бульон". Важнейшую роль в зарождении живых организмов сыграло объединение множества отдельных молекул органических веществ в упорядоченные молекулярные структуры - биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты, обладавшие важнейшим биологическим свойством воспроизведения себе подобных. Свободный кислород появился значительно позже углерода в результате фотосинтеза, происходившего вначале в водорослях и бактериях, а затем и в наземных растениях. Бескислородная среда способствовала, по-видимому, синтезу биополимеров: кислород как сильный окислитель разрушал бы их.
277
В результате объединения несложных органических соединений образовались вначале ферменты - белковые катализаторы, а затем нуклеиновые кислоты - носители наследственной информации. Можно считать, что с этого момента на Земле возникла жизнь. Жизнь - это особая форма существования материи. Характерные особенности жизни - обмен с внешней средой, воспроизведение себе подобных, постоянное развитие и т.п.
К концу биохимической стадии развития жизни появились структурные образования - мембраны, сыгравшие важную роль в построении клеток. Первые организмы на Земле были одноклеточные - прокариоты. Проходили сотни миллионов, даже миллиарды лет, в течение которых из прокариот образовывались эукариоты, в их клетке сформировались ядро с веществом, содержащим код синтеза белка, ядрышко, находящееся в ядре, и другие структурные элементы (рис. 7.6). С появлением эу-кариот наметился выбор растительного или животного образа жизни, различие между которыми заключается в способе питания и связано с важнейшим для всего живого процессом - фотосинтезом.
Фотосинтез сопровождается поступлением в атмосферу кислорода. Подсчитано, что благодаря фотосинтезу весь углекислый газ плане-278
ты - и в атмосфере, и растворенный в воде - обновляется примерно за 300 лет, а весь кислород - за 2 тыс. лет. По-видимому, нынешнее содержание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто 250 млн. лет назад в результате интенсивного развития растений.
Предполагается, что многоклеточные организмы родились из одноклеточных. Теорию происхождения многоклеточных организмов создал наш соотечественник, выдающийся ученый И.И. Мечников (1845-1916), лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908 г. Многоклеточные организмы прошли долгий путь эволюции жизни, о чем свидетельствует палеонтологическая летопись, окаменевшие страницы которой постепенно открывают тайны происхождения жизни.
7.6. ПРЕДПОСЫЛКИ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ИДЕИ
Многообразие форм жизни. Жизнь на Земле... Богатство ее форм поразительно! Выйдите летом на лесную лужайку. Среди зеленой травы и цветов стрекочут кузнечики, суетятся муравьи. По веткам деревьев прыгают белки, в небесной голубизне заливается жаворонок... Особый восторг вызывают альпийские луга. Жизнь существует и в глубинах океана, и за полярным кругом, и на вершинах самых высоких гор и даже еще выше - в разреженных слоях атмосферы, где обнаружены многие виды микроорганизмов.
Всегда ли формы жизни были такими, какими мы их наблюдаем сегодня, или в течение многих тысячелетий они прошли длинный путь развития? С древних времен люди по-разному отвечали на этот вопрос. Согласно библейской книге "Бытие", "Бог в третий день сотворил растительный мир: траву, сеющую семя, дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его на земле". На пятый день "сотворил Бог рыб больших и всякую душу животных пресмыкающихся, которых произвела вода, по роду их, и всякую птицу пернатую по роду ее". На шестой день Он создал "зверей земных по роду их, и скот по роду его, и всех гадов земных по роду их" (Быт. 1:11, 21, 25).
Многообразие форм жизни, чрезвычайная сложность строения и наблюдаемая целесообразность поведения живых организмов приводят к мысли: жизнь - это нечто большее, чем просто физическое и химическое явление. Живые существа по сравнению с объектами неживой природы обладают рядом отличительных свойств, благодаря которым достигается вполне определенная цель. Поэтому еще с древних времен возникла идея: хотя живые существа и материальны, но живую материю, видимо, "одушевляет" некий нематериальный фактор. Такой точки зрения придерживались и придерживаются многие люди разных религиозных и философских убеждений. Эта точка зрения лежит в основе витализ-
279
ма - течения в биологии, признающего наличие в организмах нематериальной сверхъестественной силы ("жизненной силы", "души" и др.), управляющей жизненными явлениями.
Результаты современных экспериментов показывают, что фундаментальные законы природы - законы сохранения массы и энергии - для живых систем выполняются в пределах точности эксперимента так же, как и для неживых объектов. При превращении Сахаров, жиров или белков в организме высвобождается то же количество энергии, что и в лабораторных условиях, и в этом смысле организм человека или животного подобен неживой химической системе. Если и существует некая "жизненная сила", присущая только живой материи, то она по природе своей не способна нарушить основополагающие законы природы - законы сохранения массы и энергии. Многочисленные опыты показывают, что в биологических системах ни один закон физики и химии не нарушается. Однако из этого утверждения поспешно делать вывод, что живые системы подчиняются только законам физики и химии.
Характеризуя различия между живой и неживой материей, кроме упомянутой целесообразности следует назвать и осмысленность действий живых систем. Смысл не может существовать в форме полностью бестелесного "духа". Он исчезает, если не воплощен в некоторой материальной системе, включающей, например, вполне определенную конфигурацию нервных связей в мозгу. В то же время смысл может не зависеть от конкретной физической системы его реализации. Например, исходящий от человека смысл одного и того же лозунга не зависит от технических средств его воплощения.
С древних времен известна идея о постепенном видоизменении живых форм, высказанная в V в. до н.э. древнегреческим философом Эмпе-доклом. И все же на протяжении многих веков представление о неизменности форм органического мира оставалось господствующим, потому что человек, по меткому выражению Чарлза Дарвина, смотрел на органический мир, "как дикарь смотрит на корабль, то есть как на нечто превышающее его понимание".
Зарождение эволюционной идеи. Что поражает нас при знакомстве со строением любого живого организма? Прежде всего его целесообразность. Гончар ритмичным нажатием педали вращает гончарный круг, его искусные пальцы на наших глазах превращают бесформенный кусок глины в изящный кувшин. Сосуд предназначен для определенной цели - хранить воду, и он устроен так, чтобы выполнять эту задачу наилучшим образом. Широкое дно придает ему устойчивость, а узкое горлышко уменьшает нагрев и испарение воды. Только самый верх горлышка расширен в виде воронки - иначе в кувшин было бы трудно наливать воду. 280
Если кувшин сделан подлинным мастером, он красив и вместе с тем целесообразен, его можно назвать совершенным творением.
В чем же целесообразность организации живого организма? Возьмем любую болотную птицу, например цаплю. У нее длинные оголенные ноги: оставаясь сухой, она может ходить по мелководью. Длинным клювом она добывает из-под воды пищу. Ноги плавающих птиц (уток, гусей), наоборот, короткие, лапы с перепонками; специальные железы выделяют жир, чтобы их оперение не смачивалось водой. При объяснении целесообразности строения органов подобных птиц возникает вопрос: кто же создал их, столь удачно приспособленных к жизни на болоте или озере? Конечно, не люди. Значит?.. Значит, их сотворил другой, более могущественный Творец!
И все же дерзкие умы не могли смириться с таким ответом. Французский натуралист XVIII в. Ж. Бюффон (1707-1788) склонялся к мысли о постепенном совершенствовании живых организмов, а его последователь соотечественник Ж. Ламарк (1744-1829) впервые попытался создать стройную теорию эволюции жизни на Земле. Основным фактором эволюции Ламарк считал упражнение одних органов и пассивность других. Если орган упражняется, рассуждал Ламарк, то он постепенно усиливается, а если не упражняется, то ослабевает и отмирает. На первый взгляд, все ясно. Сравните гимнаста с человеком, не занимающимся спортом. У первого мышцы упруги и эластичны, они так и играют под кожей. У второго мышцы дряблые, под кожей изрядный слой жира. И если задать вопрос, каким же образом гимнаст достиг успехов, то на него без особого труда сможет ответить каждый: путем упражнения!
Однако этот вопрос не покажется столь простым, если перейти к детям этих людей. Конечно, они могут пойти по стопам своих отцов, тогда различия между ними будут такими же. Ну а если и те, и другие одновременно начнут заниматься спортом у одного и того же тренера и с равным прилежанием? Можем ли мы утверждать, что в таком случае дети гимнаста обязательно добьются лучших спортивных результатов, чем их товарищи? В общем виде этот вопрос можно сформулировать так: передаются ли детям те признаки, которые у родителей выработались путем упражнений или в результате приспособления к внешним условиям? Ламарк на этот вопрос отвечал: передаются! Если вернуться к примеру с болотными и плавающими птицами, то, по мнению Ламарка, их предки, ничем не отличавшиеся от обычных птиц, попав в силу обстоятельств в особые условия, например на болото, стали усиленно упражнять свои ноги, которые начали удлиняться и постепенно достигли длины ног современной цапли. Другие птицы, вынужденные жить и питаться на озерах и реках, пытались плавать, быстро разводя и соединяя пальцы. От это-
281
го кожица у оснований пальцев растягивалась, и в результате через много поколений образовались плавательные перепонки.
Однако предположение Ламарка о развитии и совершенствовании уже имеющихся органов не отвечало на такой важный вопрос: каковы причины появления совершенно новых органов? В самом деле, каким "упражнением" можно объяснить появление рогов у некоторых животных? Чтобы найти выход из создавшейся ситуации, Ламарк наделил живые существа особым свойством - стремлением к совершенству, благодаря которому весь органический мир непрерывно изменяется, улучшается, т.е. развивается.
Взгляды Ламарка, изложенные им в 1809 г., не нашли признания у современников. Куда большей популярностью пользовались воззрения его соотечественника Ж. Кювье (1769-1832). Пока Ламарк размышлял о причинах целесообразности живых организмов, Кювье избрал ее основным орудием исследования. Он исходил из того, что все органы в организме взаимообусловлены и соотнесены. Возьмем, например, травоядное животное. Растительная пища малопитательна, для удовлетворения потребностей организма необходимо ее большое количество. Значит, желудок травоядного животного должен быть большим. Размер желудка обусловливает размеры других внутренних органов: позвоночника, грудной клетки. Массивное тело может держаться на мощных ногах, снабженных твердыми копытами, а длина ног обусловливает длину шеи, чтобы животное могло свободно щипать траву. Зубы у него должны быть широкими, плоскими, с большой истирающей поверхностью. Иное дело хищники. Пища у них более питательна, значит, желудок может быть небольшим. Хищнику нужны мягкие лапы с подвижными когтистыми пальцами, чтобы незаметно подкрадываться к добыче и хватать ее. Шея у хищника должна быть короткой, зубы острыми и т.д.
Свой метод Кювье довел до такого совершенства, что нередко по одному найденному зубу ему удавалось восстанавливать облик всего животного. Если же он располагал скелетом или хотя бы его частью, то успех был обеспечен. Так Кювье открыл целый мир ископаемых животных. Гигантские ящеры, некогда обитавшие на Земле, мамонты и мастодонты - мы сейчас хорошо осведомлены о них, и заслуга в этом принадлежит прежде всего Кювье. Своей работой ученый внес огромный вклад в будущую эволюционную теорию.
Изучая вымерших животных, Кювье обнаружил, что останки одних видов относятся к одним и тем же геологическим напластованиям и не встречаются в смежных. Отсюда он сделал вывод, что животные, некогда населявшие нашу планету, погибали почти мгновенно от каких-то неизвестных причин, а позднее на их месте появлялись новые обитатели, не имевшие ничего общего со своими предшественниками. К тому же, по 282
данным Кювье, многие нынешние участки суши когда-то были морским дном, причем море здесь наступало и отступало по нескольку раз. При этом осадочные породы, которые должны были располагаться горизонтально, часто оказывались изломанными, смятыми в гигантские складки. На основании этих фактов Кювье предположил: на Земле время от времени происходили гигантские катастрофы, уничтожавшие целые материки, а вместе с ними и всех их обитателей. Позднее на их месте появлялись новые организмы. Теория катастроф в начале XIX в. выглядела вполне убедительной.
Примерно в то же время к геологическим исследованиям приступил англичанин Ч. Лайель (1797-1875). Он скорее интуитивно, чем сознательно, почувствовал произвольный характер теории катастроф. Много путешествуя, он обращал особое внимание на постоянно происходящие в окружающей среде геологические процессы. Чтобы понять прошлое Земли, надо изучить ее настоящее - вот основной принцип научных исследований Ч. Лайеля. Наблюдая за отложениями в дельтах рек, за влиянием ветра, морских приливов и отливов, изучая образование мелей, кратеры вулканов, Лайель пришел к убеждению, что медленные, незначительные изменения на Земле могут и сегодня привести к самым поразительным результатам, если будут происходить достаточно долго и в одном направлении. Особенно тщательно Лайель изучал отложения третичной эпохи развития Земли, которая предшествует нашей. Он отметил, что многие организмы, обитавшие тогда, встречаются на Земле и сейчас. В разное время появлялись новые виды и доживали свой век старые. Такие выводы противоречили теории Кювье. Сам Лайель не утверждал, что одни виды происходили от других, - подобная мысль даже не приходила ему в голову. Но, доказав медленный, постепенный характер геологических изменений, он создал еще одну предпосылку развития эволюционной идеи.
7.7. ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ
Развитие эволюционной идеи. В 1831 г., отправляясь в кругосветное плавание, молодой англичанин Чарлз Дарвин прихватил с собой только что вышедший первый том "Основ геологии" Лайеля, а через пять лет привез из плавания огромное количество материалов, подтверждающих правоту его основополагающей идеи. Но это не все: Дарвин привез и нечто большее - убеждение в том, что все виды живого изменчивы, что все животное и растительное царство, каким мы его знаем сегодня, - результат постепенного, очень длительного развития сложного органического мира.
Проблемой эволюции Ч. Дарвин начал вплотную заниматься в 1836 г. после возвращения из кругосветного путешествия. Иногда он обсуждал
283
ее с лишь немногими своими коллегами, в том числе и в переписке. Казалось, что он целиком погрузился в изучение классификации усоногих раков и исполняет обязанности секретаря Геологического общества. Коллеги советовали ему опубликовать свою гипотезу об эволюции, но он не последовал их совету. И вот 14 июня 1858 г. Дарвин получил письмо от Ал-фреда Уоллеса (1823-1913) из Тернате на Молуккских островах. В письме находилась статья, которую Уоллес просил передать Ч. Лайелю, известному геологу и другу Дарвина. В ней кратко излагалась сущность теории эволюции путем естественного отбора.
Предположение о том, что виды могут изменяться, Уоллес опубликовал в одной из своих работ раньше, в 1855 г. Эта идея возникла после прочтения им в 1858 г. труда английского ученого Томаса Мальтуса (1766-1834) "Опыт о законе населения", основная мысль которого сводилась к тому, что каждая популяция стремится максимально размножиться без учета средств существования, и когда она достигает некой предельной численности, зависящей от условий жизни, дальнейшему росту начинает препятствовать нищета: излишняя численность популяции должна гибнуть. Это может происходить трагически и внезапно или в результате возрастания смертности с приближением к пределу возможного роста. Мальтус специально не занимался вопросом, кто выживет, а кто погибнет. Догадка Уоллеса состояла в том, что выживать будет не случайная выборка из популяции, а те особи, которые лучше приспособлены к условиям существования. Если их приспособляемость выше среднего уровня для всей популяции и она хотя бы частично наследуется, то вид в целом будет изменяться в направлении большей приспособляемости, т.е. более высокой адаптации к среде обитания. Интересно, что Дарвин пришел к подобным же выводам и тем же путем - прочитав труд Мальтуса.
Уоллес, в то время малоизвестный натуралист, занимался сбором тропических насекомых. Однако в сложившейся ситуации его сообщение нельзя было игнорировать. Посоветовавшись со своими коллегами, прежде всего с Ч. Лайелем и Дж. Гукером (1817-1911), известным ботаником, Дарвин решил объединить выдержки из письма, которое он незадолго до этого отослал американскому ботанику А. Гресо, резюме неопубликованной статьи, написанной еще в 1844 г., и сообщение Уоллеса. Все это было оформлено в виде доклада, представленного 1 июля 1858 г. Линнеевскому обществу. Книга Дарвина "Происхождение видов" вышла в свет в ноябре 1859 г., и все 1250 экземпляров ее были распроданы в первый же день.
Большой интерес к идее естественного отбора был обусловлен вовсе не тем, что Дарвин и Уоллес постулировали превращение одних видов в другие, т.е. сам факт эволюции. Об этом и раньше говорили многие, и прежде всего Ламарк, Эразм Дарвин - дед Ч. Дарвина, и много рань-284
ше - Анаксимандр в Древней Греции. Интерес определялся в основном тем, что был предложен механизм "конструирования" живых существ без участия Творца. Такой механизм вполне устраивал противников утверждения: если что-то сотворено, то должен быть и Творец.
Некоторые видные ученые, современники Дарвина, тем не менее остались весьма активными антиэволюционистами. К их числу принадлежали английский зоолог Р. Оуэн (1804-1892), швейцарский естествоиспытатель Ж.Л. Агассис (1807-1873) и др. Даже известный геолог Ч. Лай-ель поверил в идею эволюции не сразу. Основываясь на данных палеонтологии, они признавали появление новых видов, но полагали, что это результат каких-то пока непонятных естественных процессов, а не постепенного превращения одного вида в другой. В то же время идеи Дарвина поддерживали Т. Гексли (1825-1895) в Англии, Э. Геккель (1834-1919) в Германии, К.А. Тимирязев (1843-1920) в России.
Для тех, кто требовал от теории эволюции полной убедительности, оставалась одна непреодолимая трудность, связанная с природой наследственности. В то время ни Уоллес, ни Дарвин, ни другие ученые еще не знали законов наследования признаков. Правда, известно было, что иногда признаки могут проявляться не во всех поколениях подряд. Этот таинственный феномен, названный позднее атавизмом, состоит в том, что у потомков вдруг снова появляются признаки более или менее отдаленных предков. Полагали, однако, что наследственность в целом основана на принципе смешивания, за исключением отдельных случаев. Например, у какого-то растения могли быть либо белые, либо красные цветки. При механизме смешивания у гибрида цветки должны быть розовыми, а при скрещивании красного цветка с розовым - темно-розовыми и т.д. Во многих случаях так и бывает. Из этого следовал важный вывод: новый признак, появившийся у какого-то индивидуума как мутация, со временем должен исчезнуть, раствориться в популяции, как капля в море.
Анализируя механизм усреднения признаков, британский инженер и физик Ф. Дженкин, обладая математическим складом ума, в 1867 г. на основании строгих элементарных арифметических выкладок доказал, что в случае усреднения признаков при скрещивании естественный отбор не работает. Дарвин так и не нашел убедительного ответа на его доказательство. Промежуточное проявление признаков у потомков означало, что все генетические различия в популяциях должны быстро нивелироваться, и тогда вся популяция становится однородной, состоящей из весьма сходных индивидуумов.
Выяснению механизма наследования признаков посвящены опыты по скрещиванию гороха, проведенные австрийским естествоиспытателем Грегором Менделем (1822-1884). Все началось с того, что Г. Мендель, монах из монастыря св. Августина в Брюнне (ныне этот город в
285
Брно в Чехии, в те времена в Австро-Венгрии), в 1850 г., т.е. задолго до того как Дарвин и Уоллес представили доклад по эволюции, пытался получить свидетельство на право преподавать естественные науки, но не смог сдать экзамен. Желая подготовиться к испытаниям, он поступил в университет в Вене, где в течение четырех семестров изучал математику, биологию, химию и физику. Затем он вернулся в Брюнн и стал в своем саду выращивать горох. Опыты, поставленные на горохе, с легкостью и изяществом помогли установить природу наследственности. В своих опытах по скрещиванию гороха Г. Мендель показал, что наследственность не имеет, как тогда считалось, промежуточного характера - признаки передаются дискретными частицами, которые сегодня называются генами.
В диплоидных организмах, т.е. организмах с двумя наборами хромосом, к которым относятся и горох, и человек, каждому признаку соответствуют два гена. Они могут быть либо точными копиями, либо вариантами (аллелями) друг друга. От каждого из родителей потомок получает по одному такому гену. Гены содержатся в небольших тельцах, хромосомах, находящихся в клеточном ядре.
Работа Менделя была написана исключительно ясно и с научной точки зрения представляла настоящий шедевр, но долгое время оставалась невостребованной. Только проведенные опыты подтвердили полученные им результаты. Можно привести еще один подобный пример. В 1902 г. лондонский врач А. Геррод показал, что действие по крайней мере некоторых генов состоит в контроле активности ферментов. Эта работа также оказалась незамеченной. Представление о том, что гены содержат информацию для построения белка (один ген - один фермент), утвердилось лишь после 1945 г. Приведенные примеры и история становления теории эволюции показывают, насколько сложен и трудоемок путь постижения естественно-научной истины.
Российский ботаник СИ. Коржинский (1861-1900) и независимо от него нидерландский ученый Хуго де Фриз (1848-1935) предложили теорию мутаций - внезапных изменений наследственности. Эта теория в некоторой степени проливала свет на процесс изменчивости. Чем резче мутация, чем крупнее скачок, тем меньше шансов для новой формы организма выжить в данных условиях. Иное дело - мутации небольшие. Чаще всего они тоже вредны для организма, но в редких случаях небольшое изменение может быть полезным. Организм совершенствуется, оказывается лучше приспособленным, чем его неизменившиеся сородичи, и естественный отбор закрепляет его новую форму. Так теория мутаций навела мост между законами о наследственности Менделя и дарвинизмом. 286
Вместе с тем теория мутаций породила новые проблемы, в частности, связанные причинами их возникновения. В самом деле, почему одни особи данного вида изменяются, а другие, живущие в таких же условиях, нет? Не видя никаких внешних причин изменений, многие ученые склонялись к тому, что мутации носят спонтанный, т.е. самопроизвольный, характер. Но вот в 1927 г. появилась коротенькая заметка американского генетика Г. Меллера (1890-1967). Он облучал плодовых мушек дрозофил рентгеновскими лучами и получил небывалую вспышку изменчивости. Вскоре было доказано, что мутации могут вызываться не только рентгеновскими лучами, но и другими видами излучений, а также многими химическими соединениями, резким изменением температуры и т.д. Данные работы составили одно из направлений исследований природы наследственности. Другое не менее важное направление, связанное с выяснением природы самого гена, развивалось под руководством американского генетика Т. Моргана (1866-1945). К настоящему времени многие вопросы о природе гена и генетической информации уже выяснены.
Искусственный и естественный отбор. Решая главный вопрос о движущих силах развития, Дарвин подошел к тому рубежу, перед которым прежде остановился Ламарк. Однако в отличие от Ламарка он решительно исключил из рассмотрения таинственное "стремление к совершенству", обратив особое внимание на результаты деятельности человека. В самом деле, не слишком ли мы недооцениваем самих себя, когда говорим, что не способны создавать новые формы органической жизни? А как же наши культурные растения и домашние животные - разве они не созданы человеком? Остановимся на пшенице. Некогда человек бросил в землю горсть зернышек невзрачного дичка. Зернышки были мелкие, а колосья при малейшем дуновении ветра осыпались. Нелегко было собрать урожай первому земледельцу! Тысячелетия вначале бессознательного, а потом и сознательного отбора лучших зерен привели к тому, что они стали полновесными, а колос неосыпающимся. И еще десятки других свойств придал пшенице человек: увеличил количество белка в зерне, сделал ее стойкой ко многим болезням, вывел сорта, отзывчивые к удобрениям, скороспелые и т.п. Сейчас площадь посевов культурной пшеницы на земном шаре занимает свыше 200 млн. га. Однако если перестать за ней ухаживать, то через несколько лет культурные злаки погибнут. То же можно сказать о любом культурном виде растения или животного.
А если так, то следует внимательно присмотреться к тем методам, какими человек создавал новые сорта растений и породы скота. Дарвин часто встречался со скотоводами и выспрашивал, как они создают и сохраняют свои стада. И ответ слышал почти всегда один: "Мы оставляем на племя лучших животных". Вот и все! Ларчик открывался на удивление просто. Скотоводы не подозревали, что, забивая слабых и низкопро-
287
дуктивных животных (с низким надоем молока, если это коровы, с худшей шерстью, если это овцы; слабосильных, если это лошади, предназначенные для перевозки грузов, и недостаточно быстроногих, если это скаковые лошади), они проводили огромную созидательную, творческую работу. Искусственный отбор - так назвал этот метод Дарвин. Путем искусственного отбора человек создал формы, ранее не существовавшие в дикой природе (рис. 7.7). Не происходит ли что-либо подобное и среди диких организмов?
Человеку с давних пор было ясно, что пищевые ресурсы для какого-либо вида животных (или растений) в определенной местности ограничены. А способность к размножению? Она ведь не имеет границ! Цифры здесь столь же просты, сколь и поразительны. Если бы из всех яиц, отложенных одной птицей, вылупились птенцы, выросли и сами дали потомство, а потомство этого потомства тоже сохранилось бы полностью, и так продолжалось бы, скажем, 15 лет, то общее число потомков одной пары достигло бы десяти миллионов! Однако практически так никогда не происходит. Количество птиц, животных, растений остается неизменным (или меняется в небольших пределах как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения) нередко на протяжении многих столетий. Это значит, что далеко не из всех яиц вылупляются птенцы, не все птенцы становятся взрослыми птицами и, наконец, не все взрослые особи оставляют потомство. Кому же везет, кому выпадает счастливый жребий? Очевидно, тем, кому удается захватить нужное количество пищи, уберечься от врагов - словом, тем, кому удается победить в борьбе за существование.
В борьбе за существование побеждают, таким образом, лучше приспособленные к жизни, к условиям окружающей среды. Например, часть деревьев в лесу угнетена: им не хватает места под солнцем (рис. 7.8), и здесь, как и в животном мире, тоже происходит отбор. Однако отбирает здесь уже не человек, а сама природа. Именно условия природной среды ведут отбор наиболее приспособленных - естественный отбор, как назвал это Дарвин. Вот чем объясняется целесообразность органических форм! Устройство животного или растения не потому целесообразно, что кто-то приспособил данный организм для определенной цели, а потому, что из всего многообразия форм выживали и могли оставлять потомство особи, лучше других приспособленные к данным условиям!
Два молодых русских ученых, А.О. Ковалевский (1840-1901) и
И.И. Мечников (1845-1916), взяв на вооружение эволюционную тео
рию, создавали новую науку - сравнительную эволюционную эмбрио
логию (от гр. embryon - зародыш). Ковалевский при этом открыл пере
ходные формы между позвоночными и беспозвоночными, заполнив тем
самым наиболее важный пробел в общей системе развития животного
царства.
19 - 3290 289
Целенаправленность и естественный отбор. Созданные человеком устройства и машины (например, управляемая ракета, персональный компьютер) доказывают, что и неживые системы способны к целенаправленному действию. Однако для их создания необходим осознающий поставленную цель конструктор. Поэтому возникает вопрос: не нужен ли был подобного рода конструктор при создании живой системы? Один из возможных ответов на этот извечный вопрос содержится в идее Дарвина и Уоллеса, суть которой в том, что живые организмы могут самосовершенствоваться - эволюционировать в сторону все большей адаптации, т.е. приспособленности к среде обитания. Оба ученых предположили наличие механизма естественного отбора. Живые существа способны изменяться (мутировать) случайным образом, и такие мутации наследуются. Если мутации оказываются полезными для выживания, то их доля в последующих поколениях будет возрастать. В результате происходит эволюция популяций в направлении большей адаптации к окружающей среде.
Для формирования, например, таких сложных органов, как глаз, требуется множество согласованных между собой мутаций. Их одновременное возникновение крайне маловероятно, поэтому естественно предположить, что эволюция идет путем накопления малых сдвигов. Все промежуточные стадии в эволюции органа должны быть функционально полезны-290
ми и приводить к его постепенному совершенствованию. Даже с учетом всевозможных ограничений в результате естественного отбора могут возникнуть удивительно сложные структуры.
Одна из особенностей естественного отбора состоит в том, что мутации, благоприятные или неблагоприятные для организма, возникают случайно. Изменение какого-либо адаптивного признака - результат единичной мутации: случившись, она попадает под естественный отбор. Однако против такого представления может быть выдвинуто одно весьма серьезное возражение, которое удобно пояснить на примере эволюции глаза. Вероятность одновременного возникновения ряда мутаций, приводящих к образованию сетчатки (слоя светочувствительных клеток), хрусталика и т.д., ничтожно мала. Представить себе, что такие одновременные изменения могут произойти в результате случайных мутаций - все равно что бросить в коробку полный набор часовых деталей, встряхнуть их и ожидать, что они сами сложатся в целые часы. Если мутации произойдут не одновременно и в результате не будет хватать хотя бы одного компонента глаза, то такой глаз окажется бесполезным, и отбор по всем прочим мутациям будет невозможен.
<< Пред. стр. 9 (из 16) След. >>
Список литературы по разделу