Пищевые цепочки
Животные питаются другими живыми существами, чтобы обеспечить энергией свои организмы. Но их точно так же могут съесть. Этот круговорот энергоресурсов очевиден на примере пищевых цепочек.
Каждая экосистема содержит множество пищевых цепочек, и их совокупность формирует крупную пищевую, или трофическую, сеть. Сегодня такой взгляд устоялся. Впервые же его предложил британский зоолог Чарлз Элтон в 1920-х гг. Ученый стал одним из основоположников экологии как науки: он анализировал взаимодействие живых существ со средой. В своей книге «Экология животных» (1927) Элтон использовал термин «пищевой цикл», который экологи позднее заменили на термин «пищевые цепочки».
Основу пищевых цепочек формируют живые существа, самостоятельно преобразующие неорганические вещества в органические. Их называют производителями, или автотрофами. Вне всякого сомнения, самые распространенные автотрофы – это фотосинтетические растения и водоросли, преобразующие углекислый газ и воду в глюкозу при помощи солнечного света. (Некоторые глубоководные автотрофные бактерии получают энергию из химических веществ в камнях и горячих источниках; они называются хемосинтетиками.)
Экологические пирамиды позволяют анализировать поток энергии внутри пищевых цепочек. На рисунке изображена пятичастная пирамида, характерная для экосистемы степей. На каждом уровне часть энергии теряется, поэтому на следующий ярус ее попадает меньше. В большинстве пищевых цепочек чем выше ярус, тем меньше количество организмов – плотоядных меньше, чем травоядных, но больше, чем высших хищников.
Вверх по цепи
Растениями питаются гетеротрофы, в том числе животные и грибы. Так, следующее звено пищевой цепочки формируют травоядные; их называют первичными потребителями. Они становятся добычей плотоядных животных, или потребителей второго порядка. Тех могут съесть более сильные плотоядные, или потребители третьего порядка. И так далее – до хищников высшего порядка.
Цепочка на этом не обрывается. Деструкторы, или детритофаги, – это организмы, питающиеся мертвыми растениями и останками животных. К ним относятся животные-падальщики, грибы и многие бактерии. Их задача – вернуть питательные вещества в почву или воду, чтобы их могли вновь использовать растения. Таким образом питательные вещества циркулируют внутри пищевой цепи, а энергию, необходимую для их переработки, дает солнечный свет.
На рисунке слева показана часть многоуровневой пищевой цепочки морей. Производители, то есть фитопланктон и водоросли, питают зоопланктон, который потребляется более крупными животными, и так далее – до акул.
Лысенковщина
Лысенковщина – политическая кампания, развернувшаяся в Советском Союзе в конце 1920-х гг. Ее сторонники отвергали устоявшиеся научные концепции, в том числе генетику и естественный отбор.
Вдохновителем лысенковщины был агробиолог Трофим Лысенко. Он заявил, что разработал революционные технологии, способные резко повысить урожайность. В то время ситуация с продовольствием в Советском Союзе была крайне неблагополучной, и советские власти наградили Лысенко ролью спасителя. Агробиолог и главная фигура советской пропаганды осуждал и даже опровергал законы наследования и дарвинизм. До 1960-х гг. лженаучный подход не встречал сопротивления, но затем позицию биолога поставило под сомнение новое поколение советских ученых, придерживавшихся общепринятых научных взглядов.
Трофим Лысенко.
Эусоциальность
Некоторые виды живут в социальных группах, в которых одна самка производит все потомство, а заботятся о нем остальные взрослые особи. Подобная социальная система называется эусоциальностью и распространена среди муравьев, пчел и ос.
Эусоциальных животных отличают три основных признака. Среди взрослых самок обязательно присутствует размножающаяся, также называемая маткой или королевой. В колонии есть по меньшей мере один фертильный самец, или трутень, и большое число рабочих особей. Несколько поколений рабочих животных объединяются, чтобы добывать пищу и заботиться о потомстве. Система эффективна, так как рабочие особи зачастую являются дочерями матки и заботятся о своих сестрах, с которыми делят множество общих генов. Эусоциальные медоносные пчелы демонстрируют необычную форму коммуникации. Каждый день рабочие особи вылетают из улья в поисках еды. По возвращении они исполняют сложный танец, чтобы сообщить другим рабочим пчелам о нахождении пищи. Австрийский биолог Карл фон Фриш обратил внимание на такое поведение в 1927 г., а в 1973 г. получил Нобелевскую премию за его дешифровку.
ГОЛЫЕ ЗЕМЛЕКОПЫ
Голый землекоп – одно из двух млекопитающих, демонстрирующих эусоциальность. Эти грызуны живут под землей в степной зоне Восточной Африки. В колонии самка спаривается с одним или несколькими самцами. Остальные взрослые особи, хотя и способны размножаться, являются рабочими: добывают еду и защищают колонию от хищников. (Второе эусоциальное млекопитающее – это дамарский пескорой.)
АТФ
АТФ, или аденозинтрифосфат, – энергетическая «валюта» клетки. Молекула этого вещества находится во всех живых организмах и питает большинство процессов, происходящих внутри клеток и поддерживающих в организмах жизнь.
Чтобы поддерживать жизнь, всем организмам нужен постоянный приток энергии. Энергия используется для таких процессов, как деление клетки, синтез белка и перемещение молекул внутри. Клетка получает необходимую энергию в процессе, который называется клеточным дыханием. Это медленное, контролируемое насыщение кислородом молекул пищи. Энергию, производимую при дыхании, накапливают молекулы АТФ, а затем переносят в другие части клетки.
Структура АТФ
Аденозинтрифосфат в 1929 г. обнаружил немецкий биохимик Карл Ломан, а также – независимо от него – индийско-американский биохимик Йеллапрагада Суббарао и американский ученый Сайрус Фиске. Молекула АТФ состоит из трех основных частей. Рибоза, одна из разновидностей сахара, образует центральную часть. Аденин (состоит из колец связанных атомов углерода, водорода и азота), присоединяется к рибозе. С другой стороны находятся три фосфатные группы, и именно они играют главную роль в переносе энергии.
Как работает АТФ
АТФ становится активна при реакции с водой, или гидролизе. В результате реакции получаются молекула аденозиндифосфата (АДФ) и одна фосфатная группа. Реакция сопровождается выделением энергии, которая питает метаболические процессы внутри клетки. Если организму в данный момент энергия не нужна, происходит обратная реакция, и свободная энергия используется для присоединения фосфатной группы к АДФ и формированию АТФ. Энергию для этого преобразования клетка получает от окисления глюкозы в рамках так называемого цикла Кребса. Каждая молекула глюкозы производит около 30 АТФ. Выходит, что АТФ работает как аккумуляторная батарея: запасает энергию, когда она не нужна организму, и немедленно высвобождает ее, когда в ней появляется нужда.
Производство молекул АТФ, источников энергии, происходит внутри органелл, называемых митохондриями. Эти «энергостанции» дают клеткам «силы» для выполнения всех надлежащих функций.
Гомеостаз
Гомеостазом называют ряд биологических процессов, которые обеспечивают стабильное состояние среды внутри живого организма. Слово происходит от греческих őμοιος – «подобный», и στάσις – «неподвижность».
Гомеостаз – это баланс между веществами, поступающими в организм и покидающими его. Организмы забирают из внешней среды воздух, воду и питательные вещества, а после перерабатывают их в строго контролируемых условиях. Для сохранения баланса во внутренней среде организмы избавляются от ненужных элементов, например воды, тепла, а также продуктов метаболизма. Французский физиолог Клод Бернар первым признал важность такой системы контроля в организме, что обосновал в своей работе, опубликованной в 1857 г. Много лет спустя, в 1929 г., американский физиолог Уолтер Брэдфорд Кеннон ввел термин «гомеостаз».
Почки нужны для осморегуляции, то есть контроля концентрации воды (и растворенных солей) в теле. Их деятельность регулируется гормонами, произведенными мозгом. Тело получает воду из пищи и выводит ее в виде мочи и с калом (а также в виде пота и пара при дыхании). Если пропорция воды в плазме крови слишком низкая, почки забирают больше влаги, и она направляется в кровь, а моча при этом становится более концентрированной. Когда пропорция воды в крови слишком мала, моча бывает менее концентрированной. Воду из крови забирает особый фильтр – капсула Боумена–Шумлянского.
Гомеостаз в теле животного обеспечивают две главные системы. Автономная нервная система отвечает за незамедлительную реакцию на изменения среды. Эндокринная система действует медленнее, с помощью химических медиаторов, гормонов, перемещающихся по телу с потоком крови. Когда тело чувствует нарушение нормальных условий, реагируют либо одна, либо обе эти системы, и баланс восстанавливается.
Температурный контроль
Один из самых важных гомеостатических процессов – это терморегуляция, то есть поддержание постоянной температуры тела. Человеческое тело способно нормально функционировать при температуре около 37 °C. Гипоталамус в мозге действует как термостат: он измеряет температуру крови, проходящей через него, и выявляет любые изменения. Он также принимает нервные импульсы от рецепторов на коже. Когда организм перегревается, кровеносные сосуды расширяются – тело отводит жар за счет того, что кровь начинает течь ближе к поверхности кожи. В то же время железы выделяют через кожу пот. При его испарении тело охлаждается. Если организм переохлаждается, сосуды сужаются, чтобы сократить приток крови к коже и остановить потерю тепла. Появляется дрожь, тело вырабатывает больше тепла.