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
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
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.
Растения тоже дышат, сжигая запас глюкозы. Ночью, когда фотосинтез невозможен, они выдыхают углекислый газ, совсем как животные. Животные не производят глюкозу сами, поэтому получают «топливо», поедая растения или других животных, которые питались растениями.
Топливо из пищи
Глюкоза легковоспламенима, особенно в чистом кислороде. Тогда почему живые существа не взрываются, «сжигая» весь этот сахар? Дыхание высвобождает энергию понемногу, в серии биохимических реакций, которые называются лимоннокислым циклом. Первым его описал британский биохимик немецкого происхождения Ганс Кребс в 1937 г. Кребс наблюдал за метаболизмом глюкозы в грудных мышцах голубя, так как именно там процесс дыхания идет особенно активно, что облегчает эксперименты. Перед началом цикла глюкоза делится на небольшие группы, которые называются ацетильными (CH3CO). Они содержат только два атома углерода наряду с одним атомом кислорода и тремя атомами водорода. В начале цикла ацетильные группы связываются с четырехуглеродным соединением, оксалоацетатом, и формируют шестиуглеродное соединение, цитрат (сходный с лимонной кислотой, кислым веществом в лимонном соке). На последующих стадиях молекула цитрата подвергается воздействию ферментов. В результате она преобразуется в четырехуглеродный оксалоацетат, и цикл начинается заново. В процессе высвобождается энергия в форме аденозинтрифосфата (АТФ), которая питает другие метаболические процессы внутри клеток.
Лимоннокислый цикл – эффективный процесс, так как в нем расходуются только ацетильные группы, получаемые из пищи. Ферменты, ускоряющие каждый этап, и промежуточные соединения, на которые они воздействуют, используются повторно в последующих циклах, в результате которых вырабатывается еще больше энергии.
Кребс сделал важное открытие, когда работал в лаборатории при Университете Шеффилда в Англии.
Победитель
Трудоемкие исследования заняли у Кребса пять лет, и по их итогам он описал все стадии лимоннокислого цикла. На ранних стадиях работы ученый во многом опирался на выводы венгерского физиолога Альберта Сент-Дьёрдьи, установившего важность некоторых промежуточных соединений в цикле. Кребс также сотрудничал с американским биохимиком немецкого происхождения Фрицем Липманом, который открыл кофермент А (CoA), ключевой элемент, задействованный в начале лимоннокислого цикла. В 1953 г. Кребсу и Лимпану была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
Дифракция рентгеновских лучей
В 1952 г. британские исследователи Розалинд Франклин и Раймонд Гослинк с помощью дифракции рентгеновских лучей получили так называемую фотографию 51. Некоторые считают ее самой важной из когда-либо сделанных фотографий, так как она раскрывает структуру ДНК.
Волны излучения рассеиваются или преломляются, проходя через небольшие зазоры. В 1912 г. немецкий ученый Макс фон Лауэ показал, что рентгеновские лучи преломляются, проходя через кристаллы. Это позволило измерить расстояние между атомами внутри кристалла; по наклону исходящего из кристалла луча можно было строить предположения о строении молекул. К 1950-м гг. дифракция рентгеновских лучей использовалась для изучения сложных химических веществ в клетках, таких как витамины и холестерол. Франклин и Гослинг разделили ДНК на нити и просвечивали ее рентгеновским лучом более 60 часов. Лучи рассеялись, проходя через ДНК, и дали изображение на пленке, подсказывая строение молекулы. Структура ДНК стала величайшей наградой для биохимиков, а фотография 51 была инструментом, который помог получить ее в 1953 г.
Темные пятна на фотографии 51 показывают, где рентгеновские лучи, преломленные повторяющимися элементами в молекуле ДНК, облучили пленку. Темные участки вверху и внизу – это основания ДНК, вместе составляющие генетический код.
Потенциал действия
С конца XVIII в. было известно, что нервные импульсы передаются благодаря электричеству, но оставалось загадкой, каков механизм возникновения электрического сигнала в нервной клетке.
Итальянский врач и биолог Луиджи Гальвани продемонстрировал в 1790-х гг., как нервы и мышцы стимулирует некая разновидность электричества. Впоследствии исследователи обнаружили, что если подвести электрод к мозгу, тело человека демонстрирует широкий спектр реакций. Например, на лице может возникнуть неестественное выражение. В 1875 г. Ричард Катон зафиксировал электрическое поле, которое генерировал мозг обезьян и кроликов. Но как возникали электрические импульсы?
Потенциал действия идет по аксону со скоростью около 150 м/сек.
Необъятная нервная ткань
Прорыв произошел, когда два английских исследователя, Эндрю Хаксли и Алан Ходжкин, стали изучать нервную систему кальмара. Животное выбрали за необычайно крупный аксон. Его диаметр составляет всего 0,5 мм, но длина равняется длине тела животного. Ученые изучили гигантский нерв с помощью метода фиксации напряжения. Они изменили напряжение аксона и зафиксировали, как это влияет на движение заряженных частиц, ионов, в нерв и из него. Хаксли и Ходжкин начали исследование в 1930-х гг., но им помешала Вторая мировая война. В 1952 г. они представили результаты. Ученые обнаружили, что нервная клетка, или нейрон, значительную часть времени бездействует, но при необходимости послать сигнал с помощью ионов калия, натрия и хлора создает резкий скачок электрического потенциала, который передается по аксону.