Так мог выглядеть игуанодон, травоядный динозавр, который мог ходить и на двух, и на четырех ногах. Крупные когти на большом пальце, возможно, предназначались для защиты от врагов и поиска пищи.
Зоологические сады
Люди с древних времен держали в неволе диких и экзотических животных. Изначально эти «зверинцы» свидетельствовали о статусе богачей, но некоторые из них в результате превратились в современные зоопарки.
Зверинцы были обыденной частью королевского быта. Например, один из них сотни лет располагался в лондонском Тауэре. В XVIII в. возрос интерес к естественной истории, и на животных начали смотреть с научной точки зрения. Старейший в мире зоопарк находится в Вене. Он был основан в 1752 г. – тогда это был зверинец императора Австрии – и сохранился на том же месте; только теперь это уже современный зоопарк. Первый зоологический сад, который изначально создавался в научных целях, сегодня превратился в Лондонский зоопарк. В 1826 г. было сформировано Зоологическое общество Лондона, а два года спустя открылся принадлежавший ему Зоологический сад. Поначалу туда могли попасть только члены общества, но после 1847 г. начали пускать и простых горожан за плату, что пополнило бюджет зоопарка. В 1840-х гг. появилось и сокращение «зоосад», сегодня привычное для подобных заведений. Даже после смерти животные не прекращали служить науке. Наоборот, они становились предметом исследований для биологов, занятых сравнительной анатомией, процветавшей в викторианскую эпоху.
Британский колониальный администратор сэр Стэмфорд Раффлз очень интересовался естественной историей, особенно регионов Юго-Восточной Азии, где служил. По возвращении в Лондон в 1824 г. он стал инициатором создания Зоологического общества Лондона и его первым секретарем. (Однако умер всего через несколько месяцев, едва приняв на себя полномочия.) Его также помнят как основателя Сингапура – на малообитаемом острове у побережья Малайзии.
Зоопарк всегда был местом, где можно увидеть животных со всего света. Но сегодня зоопарки также способствуют сохранению видов, находящихся под угрозой исчезновения.
Новые направления
По современным стандартам условия в традиционных зоопарках не были удовлетворительными. Одно из нововведений было пришлось на 1907 г. – в Гамбургском зоопарке в Германии появились более просторные клетки, а вместо оград и решеток прокопали рвы. Коренные перемены начались с 1960-х гг., когда острее стали осознавать необходимость сохранения дикой природы и больше заботиться о благополучии животных. Сегодня большинство зоопарков выполняют природоохранные и образовательные функции. Они сотрудничают друг с другом по программам размножения видов, находящихся под угрозой исчезновения, возвращая животных в дикую природу, если это возможно.
Сила жизни
До 1820-х гг. люди верили, что жизнь поддерживает некая таинственная «животворная сила» и что вещества, производимые организмом, нельзя объяснить только законами химии. Все изменило случайное открытие.
Однажды, в 1828 г., взволнованный немецкий химик Фридрих Вёлер написал своему старшему коллеге, что только что получил «без участия почек» мочевину – химическое соединение, которое ранее удавалось извлечь только из мочи. Впервые эта телесная жидкость была получена в лаборатории, и это стало предвестником многих открытий в области органической химии (химии соединений углерода). И все же в одном химия живых существ радикально отличается от химии неодушевленных предметов. Многие из ее молекул демонстрируют хиральность, то есть «праворукость» или «леворукость» – как фабрика, производящая перчатки только на одну руку. Химики могут создать симметричные молекулы в лаборатории при незначительной помощи живых существ.
Нефтяная промышленность пользуется способностью живых существ производить сложные химические соединения. Первая нефтяная скважина была пробурена в Титусвилле, штат Пенсильвания, в 1859 г., а сегодня по всему миру существует около 65 000 месторождений. Нефть сформировалась из микроскопических организмов, живших в далеком прошлом, и является смесью органических (углеродсодержащих) химических веществ, особенно углеводородов (соединений только углерода и водорода). Она не только применяется в качестве топлива, но также является сырьем для изготовления множества продуктов, от пластика до лекарств.
Униформизм
В начале XIX в. возникла новая геологическая теория, которая помогла убедить людей в невероятной древности Земли. Чарлз Дарвин согласился с этим видением, дававшим, по его мнению, время на совершение эволюции.
Шотландский геолог Джеймс Хаттон заинтересовался геологическими областями, где имелись осадочные отложения, затвердевшие, подвергшиеся эрозии и затем покрывшиеся более поздними наслоениями породы. Ученый осознал, что для этого потребовалось невероятное количество времени. «Мы не находим ни следа начала; и никакой перспективы конца», – написал он. Теории Хаттона развил Чарлз Лайель в книге «Основы геологии» (1830), оказавшей влияние на Чарлза Дарвина. Лайель объяснил геологическую историю на примере современных процессов, заключив, что они происходили сходным образом миллионы лет. Теория получила известность как униформизм, и она все еще имеет вес сегодня, хотя мы знаем, что ход истории время от времени нарушается катастрофами.
Фронтиспис книги Лайеля «Основы геологии», на котором показаны геологические процессы.
Ферменты
Ферменты, или энзимы, – это биологические катализаторы, которые обеспечивают химические реакции и ускоряют их. Они жизненно необходимы животным и растениям.
В 1833 г. французские химики Ансельм Пайя и Жан-Франсуа Персо получили из солодового экстракта химическое вещество, ускоряющее превращение крахмала в сахара́. Они назвали ускоритель диастазой. Это был первый энзим, полученный в концентрированной форме, хотя само это слово (нем. Enzym) немецкий физиолог Вили Кюне придумал только в 1878 г. Названия всех открытых с тех пор ферментов имеют суффикс «аз». Известно, что ферменты ускоряют более 5000 биохимических реакций. Они действют при оптимальных температурах и уровнях кислотности. Если слишком холодно, реакции замедляются; слишком жарко – фермент меняет форму и становится менее эффективным. Как правило, ферменты – это белки, которые соединяются в сложные структуры, позволяющие разместить другие молекулы, или субстраты, и затем объединяют или расщепляют их для создания новых молекул, или продуктов. Таким образом, некоторые ферменты ускоряют биохимические реакции в тысячи раз. Почти все процессы обмена веществ внутри клеток нуждаются в ферментах – реакции должны проходить с должной скоростью для поддержания жизни.
В одной из реакций клеточного дыхания фермент гексокиназа смыкается над двумя субстратами, АТФ и ксилозой, чтобы ускорить их объединение. Участки, отмеченные голубым, – это место соединения фермента с другими молекулами.
Аэробное дыхание и пищеварение
Некоторые из наиболее важных реакций обмена веществ происходят в крошечной митохондрии внутри клетки: ферменты способствуют превращению глюкозы и кислорода в углекислый газ, воду и энергию, а энергия нужна для поддержания жизни. Другой важный набор ферментов находится в кишечнике. Ферменты особого рода существуют для всех видов питательных веществ: жиров, белков и углеводов.
Например, крахмал расщепляется на молекулы глюкозы, которые попадают через стенки кишечника в кровь и служат источником энергии для клеток организма. Ферменты амилазы ускоряют эту реакцию. Альфа-амилазу, или птиалин, производят слюнные железы, и когда слюна смешивается во рту с пищей, птиалин ускоряет гидролиз (расщепление соединения при помощи дополнительной молекулы воды) углеводов и их превращение в глюкозу. Птиалин продолжает воздействовать на углеводы в желудке до тех пор, пока высококислотные желудочные соки не разрушат птиалин или не изменят его форму.
Кроме открытия диастаза, Ансельм Пайя разработал процессы рафинирования сахара и синтеза буры из соды и борной кислоты. Он также выделил волокнистый карбогидрат и назвал его целлюлозой.
Осмос
Осмос – это прохождение жидкости через полупроницаемую мембрану со стороны, где концентрация раствора ниже, на сторону, где концентрация раствора выше. Осмос – это основа водного обмена в живых существах.
Осмос был открыт в 1748 г. французским священником и физиком Жаном-Антуаном Нолле, который в качестве грубой мембраны использовал для своих демонстраций мочевой пузырь свиньи. Осмос – это разновидность диффузии, процесса, при котором вещества в жидкости или газе естественным образом равномерно распределяются по раствору. При осмосе мембрана останавливает более крупные молекулы, но вода легко проходит сквозь нее. Вода выравнивает концентрацию веществ в растворе – она перетекает из области с низкой концентрацией вещества к области с более высокой концентрацией. Действие осмоса прекращается, когда концентрация по обе стороны мембраны выравнивается, то есть с одной из сторон становится больше влаги.
Транспирация – это, по сути, встроенный в растения водяной насос. В ходе этого процесса жидкость проходит через растение от корней до мелких пор на нижней стороне листьев, там она испаряется и попадает в воздух в виде водяного пара. По мере испарения воды в верхней части растения в результате осмоса от корней поднимается дополнительная влага – по системе трубок, состоящих из рядов специальных клеток – ксилем. Транспирация совершается быстрее в теплых и ветреных условиях.
Срезанные цветы помещают в гипотоническую воду (свежая чистая вода подойдет), чтобы в ходе осмоса их стебли наполнились влагой. Свежий вид цветов поддерживается дольше – но в конечном итоге мертвые растения подвергнутся естественному процессу разложения. Живое растение увядает, когда ему не хватает воды, и с помощью воды его можно возродить.