Митохондрии – это продолговатые органеллы, которые являются энергостанциями клеток. Из глюкозы и других питательных веществ они вырабатывают энергию, и клетки используют ее в процессе жизнедеятельности.
Эндоплазматический ретикулум – это сеть плоских мешочков и трубок, которые производят и транспортируют белки.
Другие органеллы
Эндоплазматический ретикулум (ЭР) – это сеть трубчатых мембран. Шероховатый ЭР усеян мелкими структурами – рибосомами, которые производят необходимые клетке белки. Гладкий ЭР производит липиды. Аппарат Гольджи – это сходная мембранозная структура. Ее задача – упаковывать вещества в окруженные мембраной пузырьки для транспортировки через основную мембрану клетки. Хлоропласты «населяют» только зеленые участки клеток растений. Здесь происходит фотосинтез, при котором хлорофилл, зеленое химическое вещество, связанное со множеством плотно спрессованных мембран, удерживает солнечный свет. Количество хлоропластов в клетке варьируется от одного до примерно 100.
Функция хлоропластов в растении – обеспечение фотосинтеза. Хлорофилл, содержащийся внутри хлоропласта, впитывает солнечную энергию. С ее помощью из воды и углекислого газа получаются сахара́. Кислород – это побочный продукт.
Ортогенез
Ортогенез – это эволюционная концепция, которая предполагает, что у организмов есть тенденция развиваться в определенном направлении, разумеется, с повышением сложности. Очень немногие современные биологи соглашаются с ее положениями.
В конце XIX в. многие высказывались против теории эволюции путем естественного отбора, предложенной Дарвином. Одно из возражений касалось взаимосвязи между вариативностью морфологии и отбором как фактором, определяющим течение эволюции. Дарвин пришел к выводу, что вариации внешнего вида отдельных особей более или менее случайны, поэтому главной движущей силой является отбор полезных качеств, направляющий изменения в популяции. Но если вариации имеют тенденцию происходить именно в конкретном направлении – то есть если они неслучайны, – тогда, возможно, на ход эволюции влияет само направление. Если дело в этом, отбор играл бы только отрицательную роль, уничтожая пагубные вариации. Ряд ученых поставили вариативность на первое место в дискуссии о направленной эволюции. Одни полагали, что задействованы мистические силы, а другие утверждали, что в основе лежат некие физические процессы.
Кроме теории ортогенеза Теодор Эймер знаменит тем, что описал микроскопический орган осязания на кончике носа крота, который назван в честь ученого.
Традиционный взгляд на развитие человека, от шимпанзе, волочащего руки по земле, до прямоходящего Homo sapiens, ортогенетический. Он предлагает ход эволюции человека от примитивного к продвинутому. Но наше место в природе куда понятнее, если представить, что наш вид просто последний выживший из десятков очень похожих видов, которые развивались последние 8 млн лет.
Ненайденные тенденции
Вильгельм Хааке первым высказал мысль о направленной эволюции в 1893 г., а популяризовал ее немецкий зоолог Теодор Эймер. Он написал, что когда целый вид переживает изменение условий окружающей среды, все организмы реагируют одинаково, так как у них «схожая конституция». Эта теория напрямую расходилась с концепцией естественного отбора Дарвина. Эймер сделал идею о направленных изменениях популярной и назвал ее ортогенезом. Он утверждал, что в эволюции были течения без какого-либо адаптационного значения, которые, следовательно, нельзя объяснить естественным отбором. В 1898 г. он опубликовал работу «Ортогенез бабочек. Доказательства в пользу <…> бессилия естественного отбора при формировании видов». Некоторое время идея пользовалась поддержкой в обществе. Но изучение окаменелостей показало, что давно вымершие виды развивались во многих направлениях от общих предков, что означало, что естественный отбор дал много разных типов организмов – одни успешные и стойкие, другие – нет.
Вирусы
Вирус – это крошечный возбудитель инфекции, который воспроизводится только в живых клетках других организмов. Вирусы могут заражать любых живых существ, в том числе бактерии, не говоря уже о растениях и животных.
Всего было описано около 5000 типов вирусов, хотя существуют миллионы разновидностей. Но считать ли их живыми? Вирусы называли «организмами на границе жизни», потому что они переносят генетический материал, размножаются и эволюционируют путем естественного отбора, но не потребляют энергию и не имеют клеточной структуры. Вирусы крошечные, как правило, в сотню раз меньше бактерии, и состоят всего из трех частей: генетический материал (либо ДНК, либо РНК); защитная белковая оболочка, или капсид; и – иногда – внешняя жировая мембрана. Возможно, вирусы развились из участков ДНК бактерий, которые могли перемещаться между клетками, а теперь паразитируют, взламывая механизм клетки, чтобы воспроизводиться. Вирусы, не заражающие клетку, называются вирионами.
Один из основателей вирусологии, Мартин Бейеринк, также открыл азотфиксацию – феномен, который лежит в основе жизни на Земле. Бейеринк имел репутацию эксцентричного человека, он частенько грубил коллегам. Несмотря на два великих открытия, Нобелевскую премию он так и не получил.
Открытие
В 1898 г. голландский микробиолог Мартин Бейеринк опубликовал результаты опытов, показывающих, что мозаичную болезнь табака, фатальную для растения, вызывает возбудитель, который по размеру уступает бактерии. Он назвал его вирусом. Выводы Бейеринка совпали с наблюдениями, сделанными в 1892 г. русским ботаником Дмитрием Ивановским. У Бейеринка не получилось вырастить вирус in vitro, как это делали с бактериями, но он заключил, что вирус может воспроизводиться и множиться в живых растениях. Только в 1941 г. с помощью рентгенокристаллографии вирусная природа мозаичной болезни табака (внизу) была неопровержимо доказана.
Нападение на хозяина
Вирусы передаются разнообразными путями – по воздуху, через жидкости тела и при непосредственном контакте. Вирусы проникают в клетку и встраивают свою ДНК в ДНК хозяина. ДНК вируса содержит инструкции, которые заставляют клетку начать копирование вирусной ДНК. В конечном итоге клетка переполняется и разрывается, высвобождая вирусы, которые заполняют другие клетки. Если задействовано достаточно большое число клеток, организм заболевает. Как правило, после короткой болезни иммунная система выявляет и уничтожает вирусы. Тем не менее существуют некоторые вирусы – они вызывают заболевания, подобные ВИЧ, лихорадке Эбола или Западного Нила, – которые так сильно ослабляют иммунитет, что могут убить хозяина.
Вирусы – это самая распостраненная разновидность живых организмов. В стакане морской воды, например, их больше, чем людей на Земле. Подавляющее большинство вирусов совершенно безвредны для человека, каждый нацелен на конкретную группу хозяев.
Сукцессия
Окружающая среда постоянно меняется. Сукцессия – это процесс замещения одной экосистемы другой. Впервые его начали изучать, понаблюдав за сносимыми ветрами дюнами в американском штате Индиана в конце 1800-х гг.
Экосистемы не вечны. В конечном итоге катастрофа – лесной пожар, или оползень, или деятельность человека – унесет укоренившиеся виды, и образуется пустота. После подобных событий живому приходится вновь отвоевывать место для себя. Например, заброшенный участок города сначала колонизируют мхи, лишайники и мелкие растения. Эти виды, называемые пионерными, обеспечивают пищу для насекомых, которые привлекают птиц и других животных. Позже сюда проникают семена кустарников и деревьев, которые дают побеги. Все более сложные группы живых существ сменяют друг друга, пока не сформируется стабильное сообщество – климаксовая экосистема. И она задержится здесь, пока следующая катастрофа – мелкая или крупная – не разрушит ее.
Теория о существовании сукцессии стала одной из первых выдвинутых экологами. Генри Чандлер Коулз из Университета Чикаго изучал подвижность экосистем, наблюдая за растительностью в заповеднике «Дюны Индианы» в конце XIX в. В ХХ в. Фредерик Клементс определил промежуточные стадии сукцессии внутри экосистемы и привел общую схему заполнения пустот.
С прекращением человеческой деятельности благодаря сукцессии всякая среда заполняется той или иной композицией видов – экосистемой. На востоке Северной Америки и в Европе, например, это в основном лиственные леса. Регионы с другими видами климата порождают другие климатические сообщества.
Первичная сукцессия – процесс, когда живые существа начинают колонизировать новую среду обитания. Это может произойти после такого бедствия, как извержение вулкана. Например, в 1963 г. у побережья Исландии после подводного извержения из моря поднялся новый остров, впоследствии названный Сюртсей. Всего за несколько лет мхи, лишайники и прибрежные растения укоренились в пепле и лаве. Затем остров заселили насекомые, позже – морские птицы. Если же нарушена уже существующая среда обитания, например, лесным пожаром или вырубкой, появление новой растительности называется вторичной сукцессией.
Неприхотливое растение пробивается сквозь лаву. Так начинается длительный процесс сукцессии, который обратит безжизненную среду в цветущую экосистему – до следующего извержения вулкана.
Генетика
Наука о наследовании зародилась в 1860-х гг. с работой Грегора Менделя, но только в 1905 г. научное сообщество дало ей название.
Термин «генетика» происходит от греческого слова γενεσις, что означает «происхождение». Чарлз Дарвин и другие с помощью прилагательного «генетический» описывали неизвестный на тот момент механизм наследования. Слово «генетика» в качестве названия для науки о наследовании применил Уильям Бэтсон, английский биолог, открывший работу Грегора Менделя в 1905 г. Через несколько лет датчанин Вильгельм Иогансен ввел термин «ген», означающий единицу наследования. Другие ученые изучали ДНК – химическое вещество, содержащееся в хромосомах, но лишь 20 лет спустя была признана неоспоримая связь генов и ДНК. После этого развитие науки генетики уже не прерывалось. Сегодня это, возможно, самый важный раздел биологии – все благодаря сильной связи с медициной и технологиями.