Том Джексон - Взламывая биологию

Гидротермальные источники – одни из самых необычных экосистем земли. Глубоко на дне океана из трещин вырывается очень горячая вода. Источники, подогреваемые вулканической активностью под океаническим дном, являются домом и источником питания для многих организмов, в том числе микроскопических бактерий и погонофор – беспозвоночных, обитающих в хитиновых трубках.

Концепцию экосистемы Тенсли представил в работе, которую опубликовал значительно позже, в 1935 г. Он описывал экосистемы как базовые единицы природы и надеялся привлечь внимание к сложному процессу транспортировки веществ между живыми организмами и неживой средой. Идеи Тенсли быстро приобрели популярность и создали новое поле научных исследованиий, которое с годами только ширится.

Экосистема определенной местности включает в себя живых существ, или биоту. Это животные, бактерии и растения, которые взаимодействуют друг с другом и неорганической, или абиотической, средой – климатом, химией почв и запасами воды. Внутри каждой экосистемы встречается множество особей одного вида, которые составляют популяцию. Сообщество включает все популяции организмов различных видов. Экосистемы находятся в равновесии: если одна из популяций разрастается, это сказывается на других видах, и при взаимодействии с ними ее численность обязательно будет скорректирована. Таким образом внутри экосистемы поддерживается хрупкий баланс. Все живые существа внутри экосистемы, а также все абиотические факторы наделены своей ролью и нишей, но в то же время зависят друг от друга. Любое новое обстоятельство – например, внедрение новых видов или природная катастрофа, – может повредить экосистему или уничтожить ее.

Человеческая деятельность также может вести к исчезновению экосистем. Многие гектары тропических лесов вырубаются под сельское хозяйство и поселения, лишая животных и растения привычной среды обитания. Загрязнение также вредит экосистемам: из-за него могут исчезать популяции растений и животных. Оно же способствует эвтрофикации – насыщению водоемов биогенными элементами, которые провоцируют бурный рост водных растений. Чужеродные виды могут уничтожать местные популяции и нарушать исконный баланс. Сегодня экологи стараются защитить редкие виды, сохраняя их экосистемы.

Импринтинг, или запечатление, – это форма поведения, характерная для молодых животных: они изучают повадки родителей, которые затем «запечатлевают» в памяти.

Британский биолог Дуглас Спалдинг одним из первых заметил это явление, когда наблюдал за поведением кур в 1870-х гг. Его опыты оставались неизвестными, пока в начале ХХ в. о них не прочел немецкий биолог Оскар Хейнрот. Основываясь на работах Спалдинга и Хейнрота, в 1935 г. австрийский зоолог Конрад Лоренц опубликовал первое научное исследование на тему импринтинга у серых гусей. Лоренц обнаружил, что едва вылупившиеся гусята инстинктивно следуют за первым подвижным предметом, который видят. Обычно птенцы идут за родителями, а в эксперименте Лоренца гусята привязывались к самому ученому. Исследователь обнаружил, что это происходит в течение 16 часов после вылупления. Он показал, что гусята точно так же реагируют и на неживые предметы. Например, они готовы были следовать и за игрушечным поездом.

Работа Лоренца способствовала появлению новой области биологии, которая получила название этология. Наука изучает поведение животных, в том числе людей.

Конрад Лоренц кормит гусей на лужайке рядом с домом. Лоренц верил, что поведение животных можно изучать только в природной среде, а не в лабораториях.

Лимоннокислый цикл – это движущая сила процессов клеточного метаболизма. Его часто называют циклом Кребса – по имени открывателя Ганса Кребса. Это самая важная стадия в расщеплении пищи, в ходе которой высвобождается энергия для питания клеток.

Ученые начали осознавать важность химических рекций для функционирования живых организмов еще в XVII в. Им удалось выяснить, что задействованы кислород, вода и углекислый газ, но мало кто понимал, насколько сложны процессы: это смогли осознать только ученые нового поколения – биохимики ХХ в.

Лимоннокислый цикл характерен только для аэробного дыхания, когда клетки получают достаточное количество кислорода и выделяют углекислый газ и воду. В отсутствие кислорода – этот процесс называется анаэробным дыханием – клетки какое-то время могут производить энергию. Побочные продукты анаэробного дыхания – это либо молочная кислота, либо этанол. Аэробное дыхание куда более эффективно. При анаэробном дыхании на каждую молекулу глюкозы производится только две молекулы АТФ, а при аэробном дыхании – 38 молекул. Атлеты, например бегун Усэйн Болт, полагаются на анаэробное дыхание, когда сталкиваются с нехваткой кислорода при коротких интенсивных нагрузках. В результате накапливается молочная кислота и усиливается «жжение», которое атлеты чувствуют в мышцах после тренировок.

Кребс показал, что в ходе лимоннокислого цикла пища расщепляется в восьми стадиях. Цикл начинается и заканчивается формированием цитрата из оксалоацетата.

Первые химики экспериментировали с животными и растениями, пытаясь выяснить, какие химические вещества нужны организмам для выживания. В 1630-х гг. Ян Баптист ван Гельмонт определил важность воды для растений. Он даже считал, что для них это главный источник энергии. В 1770-х гг. Джозеф Пристли и Ян Ингенхауз обнаружили, что растения получают углекислый газ из атмосферы, а отдают «свежий воздух». «Свежий воздух» оказался кислородом, побочным продуктом фотосинтеза – процесса превращения углекислого газа и воды в глюкозу, «топливо» растений, под действием солнечного света. Затем в 1790 г. французский химик Антуан Лавуазье открыл обратный процесс. Животное вдыхает кислород и выдыхает углекислый газ. Равно как и при горении расходуется кислород и производится углекислый газ. Посему Лавуазье заключил, что животное с помощью кислорода сжигает в теле некое топливо. Этот процесс был назван дыханием.