Том Джексон - Взламывая биологию

В качестве модельных организмов в исследованиях обычно используют дрожжи, бактерии, кресс-салат, круглых червей, плодовых мушек, мышей, крыс, рыбок данио, морских свинок и кроликов. А потому разговоры о подопытных кроликах имеют под собой твердую почву. Эти виды легко содержать в лабораториях, и они быстро размножаются, поэтому за короткий период можно изучить несколько поколений. Опыты на подобных видах помогли нам понять, как работает наследственность, как растут и делятся клетки, как живые существа запасают и используют энергию. На модельных организмах также тестируют лекарства и новые методы в медицине.

Генетические исследования часто проводят на плодовых мушках Drosophila, так как они часто демонстрируют мутации. Кроме того, хромосомы у этих мушек крупные, а потому их легко изучать.

Модельные нематоды, или круглые черви (Caenorhabditis elegans ), используются в эмбриологии, например, в исследованиях развития тканей и роли в этом генов.

В конце 1800-х гг. опыты с морскими свинками позволили Эмилю фон Берингу разработать антитоксин для лечения дифтерии. В 1920-х гг. Фредерик Бантинг занимался исследованием собак, и это помогло создать инсулин для больных диабетом. Иногда в лабораторных тестах используют приматов, так как их физиология и поведенческие реакции похожи на человеческие. В 1940-х гг. усилиями Джонаса Солка была создана вакцина от полиомиелита, спасшая миллионы жизней, – он изучал макак-резусов.

Рыжая, или амбарная, крыса – которая не всегда имеет такой цвет, – это модельное млекопитающее, с помощью которого изучают поведение, обучаемость и воздействии лекарств.

Поверхность Земли можно разделить на области с похожим климатом, где местные популяции диких животных сталкиваются с похожими вызовами. Такие регионы называются биомами.

Термин «биом» предложил в 1916 г. американский эколог Фредерик Клементс, профессор ботаники в Университете Миннесоты. Клементс понял, что биомы не статичны, а со временем постепенно меняются. На растения внутри биома влияют климат, смена времен года, рельеф и высота над уровнем моря. Кроме того, в каждом биоме водятся определенные виды животных, которые также приспосабливаются к условиям среды.

Ученые классифицируют биомы Земли по-разному, но в основном выделяют семь типов: водные системы, тундра, тайга, лиственые леса, пустыня, тропические леса, саванна. Водные биомы подразделяются на морские и пресноводные, например озера и реки. Леса растут на территориях, которые характеризуются обильными осадками. Лесные биомы – это и влажные леса тропического пояса, где круглый год тепло, и лиственные леса в регионах с умеренным климатом, и северные хвойные леса, и тайга на далеком севере. Севернее тайги простираются пустнынные равнины тундры. Похожие климатические условия, флора и фауна встречаются в горах, поэтому ученые выделяют два основных типа тундры: полярную и альпийскую. Территории, где слишком сухо для деревьев, но слишком влажно для пустынь, покрыты травами. Это степи в областях с умеренным климатом – в США они называются прериями – и тропические саванны. Пустыни образуются там, где сухой воздух у поверхности не позволяет сформироваться дождевым облакам, а потому осадки там редки и скудны. Пустыни могут граничить с полупустынями.

Каждая клетка – и бактерия, и яйцо страуса (а желток – это одна клетка, очень большая) – окружена внешней оболочкой, называемой цитоплазматической мембраной. Внешняя преграда и аналогичные мембраны внутри клетки состоят из двойного слоя жиров, или липидов (от греч. λίπος – жир).

У первых клеточных биологов не было оборудования, позволявшего разглядеть цитоплазматическую мембрану. И они были убеждены, что все живые клетки ограничены стенками. Они действительно есть у клеток растений и грибов (и бактерий), но это дополнительные внешние структуры, обеспечивающие прочность и защиту. Клетки животных стенок не имеют. Внутреннее пространство любой клетки, крошечная камера, где происходит метаболизм, защищено мембраной. Ее открыли в конце XIX в. Тогда же обнаружили, что она полупроницаемая. Другими словами, она пропускает, например воду, но сопротивляется некоторым другим веществам. В 1925 г. выяснилось, что эта примечательная структура состоит из двойного слоя липидов. Этим термином обозначаются жиры и жироподобные вещества.

Молекулы липидов чем-то напоминают медуз. От глицеролового «тела» отходят три цепочки жирных кислот. К глицеролу в составе липидов мембраны прикреплен фосфат, или соль фосфорной кислоты, который делает вещество гидрофильным, то есть способным взаимодействовать с водой. Жирные кислоты гидрофобны: они отталкивают воду и не растворяются в ней. Сочетание этих двух свойств создает вокруг клетки прочный барьер толщиной примерно в семь нанометров. Липиды формируют двойную прослойку между верхним и нижним слоями глицерола. Внутри клетки глицерол смешивается с жидкостью цитоплазмы, снаружи – с прочими жидкостями. Внутреннюю область мембраны формируют жирные кислоты, которые смешиваются друг с другом, но не пропускают внутрь воду.

Мембраны не только ограждают жидкую среду клетки, но и хранят химические вещества, которые нельзя смешивать со всеми прочими. Они содержатся внутри пузырьков, или везикул. Они могут «сливаться» с цитоплазматической мембраной, чтобы освободить содержимое. Жиры переносятся кровью в форме более простых по строению мицелл.

Современные биологи описывают клеточную мембрану как избирательно проницаемую. Липидосвязанные белки действуют как поры и обеспечивают доступ к клетке и вовне определенных химических веществ. Разница в размерах между бактериями и другими клетками также обусловлена составом клеточной мембраны. Мембраны эукариотов содержат холестерин: он добавляет им прочности и позволяет формировать более крупные клетки, чем бактериальные. Сегодня мы справедливо считаем холестерин причиной некоторых заболеваний, но без него мы бы никогда не перешагнули в развитии микробов.