«Жизнь и ее проявления»

Жизнь и ее проявления (fb2) - Жизнь и ее проявления 990K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Владимир Иванович Фурсов

Владимир Фурсов ЖИЗНЬ И ЕЕ ПРОЯВЛЕНИЯ

Живая природа

В брошюре «Три тайны жизни» мы рассказали читателям о таком важном свойстве живых организмов, как их строение.

Неживая природа тоже состоит из атомов и молекул. Но молекулы живой протоплазмы (органические молекулы) отличаются от неорганических и величиной, и сложностью. В состав органических молекул — белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот — входят десятки и сотни тысяч атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы и других элементов. В неживой природе таких сложных молекул не существует.

Но клеточную и тем более молекулярную особенность строения живых организмов можно установить только специальными исследованиями с помощью новейших оптических приборов, химического, рентгеноструктурного и других методов. В природе органические молекулы могут строиться только в живой протоплазме. И до тех пор, пока наука не научилась синтезировать органические вещества из неорганических элементов, естествоиспытатели-идеалисты утверждали, что биополимеры создаются в организме с помощью особой жизненной силы. Ныне, когда химия создает сотни тысяч видов органических веществ в специальных лабораториях и на заводах, уже невозможно говорить о фантастической жизненной силе, так как опытным путем многократно доказано, что никакой такой «силы» не существует.

Для выяснения тонкого строения клетки потребовались длительные усилия ученых нескольких поколений, создание сложных приборов, выработка особых методов исследования. Но совсем не обязательно быть ученым, чтобы наблюдать некоторые другие свойства живых организмов. Например, каждый из нас по опыту знает, что все живое рождается, дает потомство и умирает. У разных организмов срок жизнедеятельности и способность к размножению различны. Одни организмы очень недолговечны, жизнь их измеряется буквально днями и даже часами. Например, существуют бабочки, которых за их короткую жизнь называют поденками. Другие животные доживают до 100 и более лет. Это слоны, черепахи, крокодилы, щука, осетр, севрюга, соколы, орлы. Средняя продолжительность человеческой жизни в наше столетие значительно увеличилась по сравнению с предыдущими веками и составляет, к примеру, в нашей стране 60–70 лет. Тысячи людей живут более чем 100 лет. В СССР насчитывается свыше десяти тысяч долгожителей, имеющих возраст более 100 лет, среди них есть и такие, которым по 150–160 лет.

Еще ярче выражены различия в продолжительности жизни у растений. Такие растения, как тюльпаны и подснежники, живут ранней весной до наступления первых жарких дней. Древесные породы могут существовать десятки, сотни и даже тысячи лет. Так, например, из культурных растений очень долго живет вишня (до 200 лет), отдельные экземпляры дуба и тиса доживают до 2000 лет. Калифорнийское мамонтовое дерево живет до 5000 лет. Высота таких деревьев достигает 100 и более метров, а диаметр ствола — 10 метров. Наибольшей долговечностью среди деревьев обладают австралийские макрозамии: они живут до 12 000 — 15 000 лет. В Австралии сохранилось несколько десятков экземпляров таких деревьев — немых свидетелей всей культурной истории развития человеческого общества. Они существовали еще до расцвета египетской и античной культуры, за много столетий до нашей эры, являются жителями и нашей эпохи.

Наряду с растениями-долгожителями известны и такие, которые живут только до первого размножения, оставляют потомство и погибают. Такова участь, например, большинства культурных злаков (пшеницы, ржи, ячменя, овса, кукурузы и др.), многих овощных культур (огурцов, тыквы, свеклы, моркови, редиса, помидоров и др.). Подобные явления встречаются иногда и в животном мире, особенно среди рыб. Угорь живет в реках (у нас в СССР в Прибалтике) 6—10 лет, затем уходит в океан за несколько тысяч километров, где оставляет потомство, а сам погибает. Молодые угри возвращаются на родину, где живут несколько лет до наступления половозрелого возраста, и повторяют путь своих предков. Дальневосточные лососевые рыбы — кета, горбуша, достигнув половозрелого возраста, уходят из моря в реки, где размножаются и погибают.

Но большинство организмов животных и растений в течение своей жизни дают потомство неоднократно.

Очень интересно осуществляется жизнь у большинства одноклеточных организмов (водорослей, простейших и др.). Размножением у них заканчивается жизнь данной особи: она делится на две или большее число дочерних клеток. То есть получается как бы смерть без трупа. Так, между прочим, и думали многие ученые. Но это неверно. Все одноклеточные организмы тоже стареют, при этом теряют способность к размножению и погибают.

На жизнь и ее проявления еще во времена древнегреческих ученых и философов Сократа, Платона и Аристотеля зародилось два противоположных и враждебных друг другу взгляда.

Идеалисты-виталисты[1] видят сущность жизни в каком-то вечном нематериальном и не постигаемом наукой и опытным путем начале. Древнегреческий философ-идеалист Платон назвал это начало «психеей». Его ученик Аристотель — «энтелехией», в различных религиозных учениях за начало жизни принимается бессмертная душа, у современных виталистов — «энтелехия», «мировой разум», «жизненная сила» и т. п.

Жизненное начало будто вселяется в материю, которая сама по себе является безжизненной и косной (неизменной, постоянной). Она служит лишь материалом, из которого душа, или дух, создает живое существо, придает ему форму, целесообразность строения и наделяет всеми свойствами жизни — дыханием, движением, размножением и т. д. И когда душа улетает, наступает смерть, остается одна безжизненная оболочка — разлагающийся труп. По мнению идеалистов-виталистов, смертным и тленным является только тело организма, а душа бессмертна. Подобное представление бытует и в настоящее время среди большинства верующих людей.

Этот глубоко ошибочный взгляд на живую природу опровергается материалистической наукой. Изучение окружающей нас природы позволяет не только правильно понять сущность жизни, но покорять, направленно изменять, переделывать природу на благо человека.

Впервые с научных диалектико-материалистических позиций сущность жизни вскрыл Фридрих Энгельс. Он показал, что в основе всех жизненных процессов лежит обмен веществ между живыми организмами и окружающей их средой. Живые организмы являются своеобразной открытой системой. Из окружающей среды они получают питание и энергию, необходимую для всех жизненных процессов, и выделяют в эту среду продукты своей жизнедеятельности.

На неживую природу тоже действует окружающая среда. Под действием воздуха, воды, температурных и других факторов неживая материя разрушается (мы знаем, что происходит выветривание огромных горных массивов, разрушаются самые крепкие минералы в результате длительного действия среды), а для живых организмов окружающая среда служит необходимым условием жизни.

Обмен веществ в живых организмах является особой их биологической функцией. Он состоит из двух противоположных и вместе с тем единых процессов. Питание живых организмов представляет собой очень сложный процесс, в основе которого лежат различные биохимические реакции; называется этот процесс ассимиляцией (от лат. слова ассимилятио — уподобление, усвоение веществ). Продукты питания, попав в живой организм, подвергаются сложным биохимическим изменениям и уже в обесцененном виде выделяются из организма. Процесс выделения продуктов жизнедеятельности из организма называется диссимиляцией (от лат. слова диссимилятио — расподобление, несходность, измененность).

Растительные и животные организмы питаются совершенно по-разному. Растения — единственные на Земле организмы, которые способны из воды, минеральных солей и углекислого газа создавать так необходимые всем животным органические вещества — белки, жиры и углеводы. Растения в буквальном смысле кормят и дают жизнь остальным живым организмам на нашей планете.

Познакомимся в общих чертах с различными способами питания у растений, животных и некоторых особых групп микроорганизмов.

Как «кормятся» растения?

Эта проблема привлекает внимание ученых с давних пор. Первым высказал свои соображения на сей счет великий русский ученый М. В. Ломоносов в 1753 году. В работе «Слово о явлениях воздушных» он писал: «Преизобильное ращение тучных дерев, которые на бесплодном песку корень свой укрепили, ясно изъявляет, что жирными листами жирный тук из воздуха впитывает в себя… Из бессочного песку столько смоляной материи получить не возможно». Значит, из воздуха! И тут же Ломоносов в подтверждение своей мысли рассказывает о питании сосны, иглы которой черпают из воздуха вещества, превращающиеся в пищу и тело этого растения. Но одного воздуха мало, думает Ломоносов, и опять-таки первым среди ученых говорит о роли солнечного света в питании растений.

Гениальные догадки, но только догадки! Нужны были опыты, чтобы точно установить, чем и как «кормятся» растения. Теперь, через 200 лет после М. В. Ломоносова, мы это знаем вполне определенно. А тогда поиск только начинался.

Итак, в 1772 году английский ученый Джозеф Пристли установил, что побег мяты «исправляет» воздух, испорченный горящей свечой. Он проделал серию опытов. Под стеклянный колпак помещал горящую свечу, которая неизменно через некоторое время гасла. Вместе с горящей свечой под колпак сажал мышь, и тогда не только огонь угасал, но и мышь погибала. Однако стоило поместить под колпак ветку мяты, и свеча продолжала гореть, мышь оставалась живой. Пристли сделал вывод, что мята «исправляет» испорченный воздух. Правда, ученый, делая свои опыты днем, не смог предположить, что без солнечного света из этого опыта ничего не выйдет. Это существенное обстоятельство несколько лет спустя (в 1779 году) выяснил его соотечественник Ян Ингенгаузен. Он установил, что растения могут «исправлять» плохой воздух только при солнечном освещении, причем оказалось, что способность растений «исправлять» воздух пропорциональна ясности дня и длительности выдерживания растений на свету. В темноте же растения выделяют воздух, «вредный для животных». Позже было установлено, что «исправляют» воздух только листья и зеленые стебли растений, а цветы, плоды и корни «делают воздух губительный для животных».

Первые глубоконаучные исследования процесса фотосинтеза (от лат. слова фото — свет) были произведены русским ученым К. А. Тимирязевым. Он вскрыл материалистическую природу фотосинтеза, доказал приложимость к нему закона сохранения энергии и опроверг идеалистическое представление о наличии особой жизненной силы у растений. К. А. Тимирязев установил, что в хлорофилле зеленых листьев растений световая энергия превращается в химическую. С помощью специальных приборов он определил, какие лучи солнечного спектра больше всего участвуют в фотосинтезе, вычислил общий процент поглощения солнечной энергии зелеными растениями на Земле: всего лишь 3 процента, то есть одну двухсотмиллионную долю от общего количества солнечной энергии, излучаемой в мировое пространство, потребляют растения. За способность улавливать солнечный свет К. А. Тимирязев назвал зеленые растения посредниками между небом и землей. Он писал: «Растения — истинный Прометей, похитивший огонь с неба. Поглощенный ими луч солнца горит в едва мерцающей лучине и в ослепительной искорке электричества. Луч солнца приводит в движение и чудовищный маховик гигантской паровой машины, и кисть художника, и перо поэта».

Большое внимание уделил К. А. Тимирязев изучению хлорофилла. По своим химическим свойствам он сходен с гемоглобином крови человека и других высших животных. Но в молекуле гемоглобина содержится железо, а в молекуле хлорофилла — магний.

В наши дни известно не только сложное строение хлорофилла, но и произведен его искусственный синтез. Установлено также, что хлорофилл, взятый сам по себе, не способен к фотосинтезу. Этот процесс может протекать только в живой клетке листа и других зеленых частей растений.

Фотосинтез — процесс очень сложный и многоступенчатый. Его изучению посвящено огромное количество работ ученых разных стран мира. И только в последние годы с появлением биоэнергетики — науки, изучающей энергетические процессы в организме, стало возможным расшифровать основные этапы этого процесса.

Мы уже отметили, что источником энергии в организме растений является свет. В результате фотосинтеза в зеленом листе растения образуется вещество аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая выполняет функцию аккумулятора (накопителя) химической энергии. Для расшифровки энергетических процессов в клетке был применен биофизический подход. При таком подходе исходят из того, что всякая химическая энергия — это энергия электронов, занимающих самые высшие орбиты в молекуле. Накопление энергии молекулой прямо или косвенно связано с подъемом электрона на орбиту, более удаленную от ядра. Спуск электрона на нижнюю орбиту сопровождается выделением энергии, которая может быть превращена в работу. Чем выше уровень (то есть чем дальше электронная орбита от ядра), тем большую энергию имеет находящийся там электрон. В обычных условиях электроны занимают нижние орбиты.

В брошюре «Три тайны жизни» сообщалось, что хлорофилл содержится в органоидах клеток зеленых органов растений и что органоиды эти называются хлоропластами.

Итак, как же протекает фотосинтез?

Начинается он с того, что хлорофилл, содержащийся в хлоропластах зеленых листьев, поглощает (сенсибилизирует) кванты световой энергии. В результате фотосенсибилизации молекула хлорофилла приходит в возбужденное состояние и на ее орбите образуется электронная вакансия, которая может быть заполнена за счет присоединения электрона соседней молекулы. В итоге, как было показано советским ученым А. А. Красновским, образуется весьма активное соединение — фотовосстановленный хлорофилл, который может отдать электрон другим веществам, то есть восстановить их. В конечном счете из таких окисленных продуктов — углекислого газа и воды — под воздействием света образуются восстановленные соединения — углеводы и жиры. Если выразить сказанное химическими знаками, то суммарная конечная формула фотосинтеза будет такова: 6СО2 + 6Н2О + световая энергия = С6H12O6 + 6O2. При этой реакции на образование одного моля глюкозы (180 г) расходуется 674 килокалории световой энергии.

Фотосинтез на примере свеклы: поглощая световую энергию, зеленые растения создают с ее помощью из углекислого газа (СО2), воды (Н2O) и минеральных солей (NPK) богатые энергией органические вещества.

В созданных в процессе фотосинтеза углеводах, жирах и белках запасена химическая энергия, то есть энергия поднятого электрона. Эта энергия имеет световую природу.

Пользуясь очень тонкими методами исследований, советский ученый А. П. Виноградов установил, что освобождающийся при фотосинтезе кислород (О2) получается не из углекислого газа, как это думали раньше, а образуется при расщеплении воды под действием света. Это явление получило название фотолиза воды. При этом водород воды идет на восстановление углекислоты и в конечном счете на образование углеводов.

Синтетические способности растительных клеток, конечно, не исчерпываются образованием углеводов. В тесной связи с фотосинтезом, а также с общим комплексом биохимических реакций обмена веществ в растительной клетке идут синтезы аминокислот, белков, жиров и других органических соединений.

По новейшим данным, фотосинтез состоит из ряда сложных реакций. Вначале происходит фотолиз воды с выделением кислорода и связыванием водорода хлорофиллом.

Для осуществления фотосинтеза растениям необходимы огромные массы воздуха, так как воздух содержит всего 0,03 процента углекислого газа (СО2). Чтобы растению получить 3 кубических метра СО2 (около 6 кг), оно должно пропустить через устичный аппарат своих листьев около 10 000 кубических метров воздуха. Растения лучше и быстрее растут, если воздух содержит большое количество углекислого газа. Однако повышение концентрации углекислого газа в воздухе, положим, до 0,3 процента губительно действует на животных и человека. Чтобы ускорить рост растений и получить от них больше урожай, строят специальные вегетационные домики, где повышают содержание СО2 в атмосфере от 1 до 5 процентов. Обычно в таких домиках выращивают ранние овощи.

В настоящее время подсчитано, что ежегодно все зеленые растения земного шара синтезируют до 100–150 миллиардов тонн органических веществ. При этом большую часть (около 2/3) органических веществ синтезируют водные, а не наземные растения.

Среди водных растений наиболее активным фотосинтезом обладают водоросли. Некоторые одноклеточные водоросли, например хлорелла, при благоприятных условиях фотосинтеза благодаря быстрому росту и размножению могут увеличивать общий вес и число клеток в семь и более раз в сутки. Цикл жизни у нее определяется восемью часами. Таким образом, за сутки могут завершить жизнь три поколения, дав начало четвертому. Одноклеточные водоросли ценны в том отношении, что они, легко культивируясь на искусственных питательных растворах, синтезируют в большом количестве различные органические вещества и многие витамины. Хлорелла, например, содержит в сухом веществе до 50 процентов белка, 25 процентов жира, 15 процентов углеводов и 10 процентов минеральных солей; кроме того, в ее состав входят важнейшие витамины «А», «В» и «С». В настоящее время в Советском Союзе, США, Японии и других странах хлорелла и некоторые другие планктонные водоросли культивируются в больших масштабах в экспериментальных установках полупроизводственного характера. В благоприятных условиях, то есть при оптимальном температурном режиме, достаточном освещении и высокой концентрации углекислого газа, хлорелла может создавать большое количество органических веществ: за сутки до одного центнера в пересчете на один гектар.

В процессе фотосинтеза органических веществ зеленые растения очищают воздух от углекислого газа и одновременно обогащают его кислородом. Поэтому зеленые растения создают условия для жизни всех живых организмов, в том числе и для себя, так как они тоже дышат кислородом. Чем интенсивнее осуществляется фотосинтез, тем быстрее атмосфера очищается от СО2 и обогащается О2. Поэтому в промышленных городах рекомендуется как можно больше разводить зеленых насаждений.

Исходя из этой неоценимой особенности зеленых растений, К. Э. Циолковский писал, что на космических кораблях, отправляющихся в длительное межпланетное путешествие, необходимо создавать оранжереи.

В наши дни мечты К. Э. Циолковского воплощаются в действительность; в космических кораблях испытывается хлорелла и другие водоросли. Известно, что один кубический метр культуры хлореллы может обеспечить почти суточную потребность человека в кислороде. Кроме того, один литр хлореллы может поглощать до девяти литров углекислого газа в сутки. Таким образом, аквариум с водорослями в космическом корабле может обеспечить космонавтов кислородом и калорийной пищей. В настоящее время вопросами использования водорослей в длительных межпланетных путешествиях занимаются очень серьезно и всесторонне.

Свет дает жизнь растениям, а через них и всем организмам на Земле. Однако зеленые растения боятся избытка солнечной энергии. Постараемся разобраться в этом весьма загадочном и интересном явлении.

Чтобы понять, чем опасен для растения избыточный свет, сделаем небольшое отступление. В начале нашего столетия ученые Рааб и Тапейнер обнаружили, что некоторые краски, в темноте безвредные или мало ядовитые для инфузорий, на свету очень быстро их убивают. Это явление было названо фотодинамическим эффектом. Наблюдается такой эффект только при наличии кислорода в окружающей среде.

Позже было доказано, что фотодинамический эффект способны вызывать и растворы зеленого вещества хлоропластов — хлорофилла, который дает жизнь растениям. Раствор хлорофилла при сильном освещении действует смертельно на инфузорий и разрушает красные кровяные тельца крови. В темноте же этот раствор совершенно безвреден.

По современным представлениям фотодинамический эффект в принципе сходен с механизмом процесса фотосинтеза. Молекулы красителя, в том числе и хлорофилла, поглощая кванты энергии, переходят в возбужденное состояние: их электроны занимают более высокий энергетический уровень. В возбужденном состоянии молекулы хлорофилла, как явствует из сказанного выше, легко соединяются с кислородом и могут образовать так называемую фотоперекись. Она-то и является ядом, который губит живые клетки, попавшие в освещенный раствор: она окисляет все органические вещества раствора. Без кислорода, так же как и без света, фотодинамический эффект не происходит.

Но почему же тогда хлорофилл не разрушает живые клетки листьев в процессе фотосинтеза? Дело в том, что в растительной клетке световая энергия, превращенная хлорофиллом в химическую, используется в первую очередь на фотосинтез. На разрушительное окисление живой протоплазмы в клетке энергии просто не хватает.

Однако если световой энергии поступает в клетку так много, что она не успевает расходоваться на фотосинтез, то хлорофилл становится опасным. Это обстоятельство является одним из важнейших при разработке режима фотосинтеза у водорослей при космических полетах. На ярком свету зеленые клетки выцветают и гибнут. Такова, например, причина массовой гибели мелких зеленых водорослей в летние месяцы в верхних слоях воды Средиземного моря. За счет избытка световой энергии хлорофилл образует фотоперекись, которая губит клетку и разрушает хлорофилл. В данном случае мощный поток энергии как бы выходит из своих берегов и катастрофа для клетки и организма в целом неминуема.

Если приостановить процесс фотосинтеза ядами, низкой или высокой температурой, свет начинает свою разрушительную работу, так как энергия его не используется в процессе фотосинтеза и оказывается избыточной. Эти данные говорят за то, что свет при определенных условиях оказывает губительное действие на растения. В настоящее время многими опытами у нас и за границей установлено, что некоторые теплолюбивые растения (огурцы, кукуруза и др.) гораздо лучше переносят холод в темноте. Если листья огурца держать при температуре +2° в темноте, то они остаются живыми и неповрежденными; после пребывания при той же температуре на свету листья огурцов погибают.

Это открытие может оказаться весьма важным для овощеводства и растениеводства в защите теплолюбивых растений от заморозков или кратковременных понижений температуры. Может быть, достаточно будет просто затемнять растения на период заморозков и тем самым спасать их от повреждений.

В природе у растений проявляется весьма важное приспособительное свойство при избытке освещения. В клетках листьев, попавших из неяркого света на яркий, хлоропласты очень быстро становятся ребром к свету и расходятся к боковым стенкам клетки, то есть уходят от яркого освещения.

Итак, мы рассказали о значении света для питания растений. Но не все растения питаются одинаково. Они ведь обитают почти всюду на нашей планете, даже в очень суровых и мало пригодных для них условиях — на Крайнем Севере, в пустыне, на засоленных почвах и т. п. Некоторые растения приспособились жить в таких местах, где разложение органических веществ не происходит, например на болотистых почвах. Здесь растения не получают из почвы крайне необходимого для них азота, но так как без азота они жить не могут, то в процессе эволюции и приспособились добывать его с помощью «охоты» за насекомыми и другими мелкими животными. Такие растения вполне заслуженно называют хищниками, или насекомоядными растениями. В настоящее время науке известно около 500 видов таких растений.

Листья у насекомоядных растений выполняют одновременно две функции: они являются органом фотосинтеза и своеобразными орудиями лова жертвы. У большей части насекомоядных растений листья потеряли обычный вид и превратились в ловчие органы. Кроме того, у некоторых насекомоядных растений образуются своеобразные органы на корнях (у водных) или стеблях, с помощью которых они тоже ловят жертву.

Таким образом, способ питания насекомоядных растений можно назвать миксотрофным (от лат. слова микстус — смешанный), то есть смешанным.

На болотах Северной Америки живет растение саррацения. Листья этого растения напоминают мешок, у отверстия которого расположена зеленая пластинка с жилками кроваво-красного цвета. Эта пластинка собирает дождевую воду. Попав внутрь листа, насекомые тонут, а затем и разлагаются, сгнившие же их остатки всасываются стенками листа.

Насекомоядные растения: А) лист-ковш; Б) пузырчатка. 1) общий вид; 2) пузырек в разрезе; 3) железка на внутренней стенке пузырька.

Растение наших заболоченных водоемов пузырчатка также питается сгнившими остатками мелких насекомых. На корнях пузырчатки имеются небольшие пузырьки с отверстиями, прикрытыми клапаном, легко отгибающимся в полость пузырька. Попавшие внутрь пузырька мелкие водные животные не могут выйти из него, так как клапан наружу не открывается.

Саррацения, пузырчатка и некоторые иные растения с листьями в виде трубок или мешков используют продукты разложения трупов мелких животных. Другие же насекомоядные растения вырабатывают ферменты, которые и переваривают захваченных насекомых. К этой группе относится около семидесяти различных видов непентесов. Под этим названием объединены тропические растения с листьями, похожими на ковш, кувшин или урну. Кувшинчатый лист непентеса служит ловушкой для насекомых. На дне листа скапливается кисловатая переваривающая жидкость. Когда в кувшин попадают насекомые, со стенок его обильно выделяются капли кислого сока. Сок этот убивает насекомых, все мягкие части их тела растворяются, и переваренная пища всасывается растением.

У нас в Советском Союзе на болотах и торфяниках встречается растение росянка. Листья у нее по краям усажены мелкими ресницами, их красные кончики утолщены и покрыты каплями блестящего клейкого сока. Попавшие на лист насекомые удерживаются склонившимися к ним ресницами листа, которые одновременно выделяют переваривающий сок.

На болотах Северной Америки встречается другой вид насекомоядного растения — мухоловка. Ее листья устроены наподобие створок или капкана. Они снабжены по краям зубцами, а на пластинке каждого листа находятся железки, выделяющие пищеварительный сок, и шесть чувствительных щетинок. Как только насекомое садится на такой лист и прикасается к его чувствительным щетинкам, половинки листа захлопываются. Открываются они снова, лишь когда все мягкие части пойманной добычи переварены и поглощены растением.

Биологический смысл насекомоядности растений был вскрыт Ч. Дарвиным в труде «О насекомоядных растениях» (1875 г.). Дарвин показал, что насекомоядность — это один из путей приспособления растений к недостаточному питанию минеральными соединениями азота. В этих условиях способность питаться животными белками, содержащими много азота, становится полезным признаком, так как позволяет виду выжить, сохраниться. Благодаря естественному отбору специфические приспособления насекомоядных растений достигают большой сложности и совершенства.

Насекомоядные растения: а) мухоловка; б) росянка.

Как питаются животные?

Итак, только зеленые растения способны создавать органические вещества из минеральных солей, воды и углекислого газа, используя для этого солнечную или любую другую лучистую энергию.

Все животные для своей жизнедеятельности нуждаются в сложных органических соединениях в виде белков, жиров, углеводов или продуктов их распада[2]. Такой тип питания, при котором организмы используют готовые органические вещества, называется гетеротрофным (от лат. слова гетеро — иной).

Все органические вещества состоят из сложных молекул, поэтому они не могут в неизменном виде усваиваться организмами. Лишь обработанные различными ферментами и разложенные до простых составных частей, эти вещества усваиваются клетками гетеротрофных организмов.

Чтобы яснее представить, как это происходит, рассмотрим схематично питание человека. Основной пищей человека являются белки, жиры и углеводы. Начнем с последних, которых мы потребляем больше всего.

В пищевом рационе мы употребляем обычно самые сложные молекулы углевода (полисахариды) — крахмал и гликоген (животный крахмал). А наш кишечник способен всасывать углеводы только в форме простых сахаров (моносахаров) — глюкозы, фруктозы и галактозы, имеющих наименьший размер молекул. Поэтому уже в ротовой полости полисахариды начинают расщепляться на более простые вещества — ди- и моносахариды. Этому содействуют фермент амилаза или птиалин слюны. Попробуйте долго пережевывать кусочек хлеба, и вы почувствуете сладковатый привкус во рту. Это значит, что безвкусный крахмал расщепился до сладкого моносахарида глюкозы. Не успевшие расщепиться в ротовой полости полисахара заканчивают свое превращение в двенадцатиперстном и тонком кишечнике под действием ферментов (диастазы, мальтазы и других). Образовавшиеся моносахара всасываются стенками кишечника, попадают в кровеносные сосудики и током крови разносятся по всем клеткам нашего организма. Здесь они сразу же окисляются или используются на построение клеток и их структур. Избыточные углеводы в организме синтезируются в гликоген, который откладывается главным образом в печени. Большая же часть избыточных углеводов превращается в резервный жир, откладывающийся в подкожной ткани.

Растительные и животные жиры пищи расщепляются под действием фермента липазы при непременном участии в этом процессе желчных кислот. Наш желудок справляется только с легкорасщепляющимися жирами (например, жир молока). Основная же масса жиров перерабатывается уже в кишечнике. Составляющие жир части — глицерин и жирные кислоты — в виде молекул тоже всасываются стенками кишечника и попадают в кровь. В клетках глицерин и жирные кислоты синтезируются с помощью фермента липазы в жиры, которые по своему составу соответствуют жирам данного организма.

Очень важное значение для человека и животных имеет обмен белков, многогранную роль которых мы подробно освещали в предыдущей брошюре («Три тайны жизни»). С пищей попадают белки животного и растительного происхождения. Однако все они отличаются по составу от белков организма, да и молекулы их слишком крупны. Поэтому в пищеварительном тракте потребляемые нами белки расщепляются на составляющие их вещества — аминокислоты — и только затем используются организмом.

Существуют десять аминокислот, совершенно незаменимых для человека, и потому белки, в которых все они содержатся в достаточном количестве, называются полноценными. В молоке, мясе, яйцах и рыбе содержатся эти важные для нас белки.

Белковые вещества начинают расщепляться в желудке под действием фермента пепсина, активированного соляной кислотой желудочного сока. В двенадцатиперстном и тонком кишечнике более простые белки (альбумозы и пептоны) под действием фермента трипсина расщепляются до аминокислот. Последние, попав в кровеносные сосуды стенок кишечника, приносятся с кровью в каждую клеточку организма. О том же, как синтезируются белки из аминокислот, подробно рассказано в предыдущей брошюре.

Так осуществляется ассимиляция (или питание) у гетеротрофных организмов. В процессе ассимиляции организмы запасают энергию, которая им необходима во всех проявлениях жизни. Питание в научном понимании — это обогащение организма той потенциальной энергией, которая была «законсервирована» в органических веществах пищи при создании их автотрофными организмами. Таким образом, на живых организмах мы видим замечательное подтверждение закона сохранения и превращения энергии, открытого еще М. В. Ломоносовым. Солнечная энергия, улавливаемая зелеными растениями, переходит в потенциальную химическую энергию синтезированных автотрофными организмами органических веществ. Эта энергия поступает вместе с продуктами питания в гетеротрофные организмы.

У более просто устроенных многоклеточных животных, гетеротрофно питающихся растений, одноклеточных организмов и бактерий принцип одинаков. Эти организмы тоже выделяют во внешнюю среду или в полость тела ферменты, с помощью которых осуществляется расщепление сложных органических веществ до исходных соединений. В клетках снова происходит синтез, но уже специфических для данного организма белков и других органических веществ.

Гетеротрофные организмы в процессе ассимиляции используют воду и минеральные элементы. Например, человеку для нормальной жизнедеятельности в сутки необходимо потреблять: хлористого натрия (поваренная соль) от 2 до 15 г, кальция — 1,2 г, магния — 0,3 г, фосфора — 1,5 г, кальция — 0,8 г, железа — 1,012 г, меди — 0,001 г, марганца — 0,0003 г, иода — 0,00003 г.

Кроме того, человек и животные нуждаются в витаминах, которые, как и минеральные элементы, гетеротрофные организмы получают с органической, главным образом растительной пищей.

Еще один способ питания

В природе существует несколько видов бактерий, которых называют хемосинтетиками. Называют их так потому, что энергию, необходимую для синтеза органических веществ, они получают путем окисления сравнительно простых неорганических веществ. Например, в почве имеется множество так называемых нитрифицирующих бактерий. Они окисляют аммиак до азотной кислоты. Аммиак — сильнейший яд для растений, а соли азотной кислоты — очень ценное питательное вещество. В результате такой «деятельности» и растениям хорошо, и сами нитрифицирующие бактерии получают для жизни около двухсот килокалорий энергии.

Серобактерии тоже очень ценная группа хемосинтетиков. Они окисляют ядовитый сернистый газ, образующийся при гниении органических остатков. После окисления получаются сера и вода. Эта реакция дает бактериям 115 килокалорий энергии для их жизнедеятельности. Серобактерии играют большую роль при очистке водоемов. Так, например, на больших глубинах Черного моря скапливаются огромные массы мертвых организмов, которые гниют, а образовавшийся при этом сероводород отравляет все живое в воде. Но этот ядовитый газ не поднимается до поверхности воды: на глубине 150–200 метров сплошным слоем живут серобактерии. Вот поэтому слой воды, располагающийся выше серобактерий, вполне пригоден для жизни водных животных.

Назовем еще одного представителя хемосинтетиков — это водородные бактерии, которые для построения органических веществ используют энергию, образующуюся при окислении водорода.

В настоящее время установлено, что хемосинтетики, как и другие микроорганизмы, играют колоссальную роль в геологической деятельности. Они принимают участие в разложении горных пород и образовании залежей полезных ископаемых. Ученым уже удалось воспроизвести некоторые геохимические процессы, осуществляемые микробами. С помощью серных бактерий, например, удается производить окисление серы в рудах, содержащих медь, и этим облегчается добыча меди. Серобактерии окисляют сероводород нефтяных или сточных вод, дают нам элементарную серу, так необходимую химической промышленности. Существуют бактерии, окисляющие марганец и железо. Бактерии стали в руках геологов чувствительными индикаторами, способными определять присутствие углеводородов в грунтах и почве. Это свойство микроорганизмов легло в основу разработанного в СССР микробиологического метода разведки на нефть и горные газы.

Итак, хемосинтетики, как и автотрофные организмы, сами строят органические вещества из неорганических. Но если автотрофным организмам для этого необходим свет, то хемосинтетики обходятся без света, получая энергию в процессе окисления неорганических веществ.

Можно найти много общего в способах ассимиляции и у других групп организмов. Так, например, миксотрофные организмы — насекомоядные растения — занимают как бы промежуточное звено между автотрофными и гетеротрофными организмами.

Эти обстоятельства дают основание считать, что все живые организмы, населяющие Землю, имеют единую принципиальную основу в процессах ассимиляции. Для всего живого питание — это строительный материал для организма и средство накопления энергии.

Окисление органических веществ — основа жизни

Органические вещества и заключенная в них энергия, образовавшаяся в клетках любого организма в процессе ассимиляции, претерпевают обратный процесс — диссимиляцию. При диссимиляции освобождается химическая энергия, которая в организме же превращается в различные формы энергии — механическую, тепловую и т. д. Освобожденная при диссимиляции энергия является той самой материальной основой, которая осуществляет все жизненные процессы — синтез органических веществ, саморегулирование организма, рост, развитие, размножение, реакции организма на внешние воздействия и другие проявления жизни.

Диссимиляция, или окисление, у живых организмов осуществляется двумя способами. У большинства растений, животных, человека и простейших организмов окисление органических веществ происходит с участием кислорода воздуха. Этот процесс получил название «дыхание», или аэробный (от лат. аэр — воздух) процесс. У некоторых групп растений, которые способны существовать без воздуха, окисление происходит без кислорода, то есть анаэробным путем, и называется брожением. Рассмотрим каждый из этих процессов в отдельности.

Понятие «дыхание» первоначально означало лишь вдыхание и выдыхание воздуха легкими. Затем «дыханием» стали называть обмен газами между клеткой и окружающей ее средой — потребление кислорода и выделение углекислоты. Дальнейшие углубленные исследования показали, что дыхание является очень сложным многоступенчатым процессом, который совершается в каждой клетке живого организма с обязательным участием биологических катализаторов — ферментов.

Органические вещества, прежде чем превратиться в «топливо», дающее энергию клетке и организму в целом, должны быть соответствующим образом обработаны с помощью ферментов. Эта обработка заключается в расщеплении крупных молекул биополимеров — белков, жиров, полисахаридов (крахмала и гликогена) — в мономеры. Тем самым достигается определенная универсализация питательного материала.

Таким образом, вместо многих сотен различных полимеров, например пищи, в кишечнике животных образуется несколько десятков мономеров — аминокислот, жирных кислот, глицерина и глюкозы, которые затем доставляются клеткам тканей животных и человека по кровеносным и лимфатическим путям. В клетках происходит дальнейшая универсализация этих веществ. Все мономеры превращаются в более простые молекулы карбоновых кислот с углеродной цепочкой, содержащей от двух до шести атомов. Если мономеров насчитывается несколько десятков, из них двадцать аминокислот, то карбоновых кислот всего десять. Так окончательно утрачивается специфика питательных веществ.

Но и карбоновые кислоты являются лишь предшественниками материала, который можно назвать «биологическим горючим». Они непосредственно еще не могут быть использованы в энергетических процессах клетки. Следующий этап универсализации — отщепление от карбоновых кислот водорода. При этом образуется углекислый газ (СО2), который организм выдыхает. Атом водорода содержит электрон и протон. Для энергетики клетки и организма в целом (биоэнергетики) роль этих составных частей атома далеко не равноценна. Энергия, заключенная в атомном ядре, недоступна для клетки. Превращение же электрона в атоме водорода сопровождается выделением энергии, которая используется в процессах жизнедеятельности клетки. Поэтому освобождением электрона заканчивается последний этап универсализации биологического топлива. В этот период специфика органических веществ, их составных частей и карбоновых кислот не имеет значения, ибо все они в конечном счете приводят к образованию носителя энергии — электрона.

Возбужденный электрон соединяется с кислородом. Приняв два электрона, кислород заряжается отрицательно, присоединяет два протона и образует воду. Так совершается акт клеточного дыхания.

Окисление органических веществ в клетках происходит в митохондриях, которые, как уже было отмечено в предыдущей брошюре, играют роль динамомашины, преобразующей энергию сгорания углеводов и жиров в энергию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Окислению в организме подвергаются в первую очередь углеводы. Начальные и конечные процессы окисления углеводов можно выразить такой суммарной формулой: C6H12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + энергия.

В животном и растительном организмах процесс дыхания в основе своей одинаков: биологический смысл его в обоих случаях состоит в получении энергии каждой клеткой в результате окисления органических веществ. Образуемая при этом АТФ используется как аккумулятор энергии. Именно этим аккумулятором восполняется потребность в энергии, в каком бы месте клетки любого организма она не возникла.

В процессе дыхания растения совершенно так же, как и животные, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Как у животных, так и у растений дыхание идет непрерывно днем и ночью. Прекращение дыхания, например путем прекращения доступа кислорода, неминуемо приводит к смерти, так как жизнедеятельность клеток не может поддерживаться без непрерывного использования энергии. У всех животных, за исключением микроскопически малых, кислород не может проникнуть в достаточном количестве непосредственно в клетки и ткани из воздуха. В этих случаях газообмен со средой осуществляется при помощи специальных органов (трахей, жабр и легких). У позвоночных снабжение кислородом каждой отдельной клетки происходит через кровь и обеспечивается работой сердца и всей кровеносной системы. Сложность газообмена у животных долгое время мешала выяснить истинную сущность и значение тканевого дыхания. Ученым нашего столетия потребовалось много усилий для доказательства того, что окисление совершается не в легких и не в крови, а в каждой живой клетке.

В растительном организме механизмы газообмена значительно проще, чем у животных. Кислород воздуха проникает в каждый лист растений через особые отверстия — устьица. Газообмен у растений осуществляется всей поверхностью тела и связан с передвижением воды по сосудистым пучкам.

Организмы, у которых окисление происходит за счет свободного кислорода (атмосферного или растворенного в воде), называются, как уже было отмечено выше, аэробными. Этот тип обмена свойствен подавляющему большинству растений и животных.

Все живые существа на Земле в процессе дыхания ежегодно окисляют миллиарды тонн органических веществ. При этом освобождается огромное количество энергии, которая используется во всех проявлениях жизни.

Французским ученым Л. Пастером еще в прошлом столетии была показана возможность развития некоторых микроорганизмов в бескислородной среде, то есть «жизнь без воздуха». Окисление органических веществ без участия кислорода называется брожением, а организмы, способные к активной жизни в лишенной кислорода среде, называются анаэробными. Таким образом, брожение — это форма диссимиляции при анаэробном типе обмена.

При брожении в отличие от дыхания органические вещества окисляются не до конечных продуктов (СО2 и Н2О), а образуются промежуточные соединения. Энергия, заключенная в органических веществах, освобождается не вся, часть ее остается в промежуточных сбраживающих веществах.

Брожение так же, как и дыхание, осуществляется через ряд сложных химических реакций. Например, конечные результаты спиртового брожения изображаются следующей формулой: C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 25 ккал/г • моль.

В результате спиртового брожения из сахара (глюкозы) образуется продукт неполного окисления — этиловый спирт — и освобождается только небольшая часть энергии, содержащейся в углеводах.

Примером анаэробных организмов могут служить дрожжевые грибки, которые получают энергию для жизнедеятельности, ассимилируя углеводы и подвергая их спиртовому брожению в процессе диссимиляции. Многие анаэробные микроорганизмы расщепляют углеводы до молочной, масляной, уксусной кислот и других продуктов неполного окисления. Некоторые виды бактерий могут использовать в качестве источника энергии не только сахара, аминокислоты и жиры, но и продукты выделения животных, как, например, мочевину и мочевую кислоту, содержащиеся в моче, и вещества, входящие в состав экскрементов. Даже пенициллин, убивающий многие бактерии, используется одним из видов бактерий как питательное вещество.

Анаэробный обмен встречается в основном в мире микроорганизмов. Из многоклеточных в значительной мере за счет анаэробного обмена живут кишечные паразиты (круглые и ленточные глисты и др.), обитающие в среде с очень малым содержанием свободного кислорода. Среди микроорганизмов есть много аэробных, а также форм, способных к обоим типам обмена.

Таким образом, в процессе синтеза органических соединений в них как бы «консервируется» или запасается затраченная на их синтез энергия химических связей. Она снова освобождается при обратном процессе разложения органических веществ. В энергетическом отношении живые существа являются, как уже говорилось, открытыми системами. Это значит, что они нуждаются в поступлении энергии извне в форме, которая позволяет использовать ее для выполнения работы, неразрывно связанной с жизненными проявлениями, и выделяют в окружающую среду эту же энергию, но уже в обесцененной форме, например в форме тепла, которое рассеивается в окружающей среде. Благодаря непрерывным процессам синтеза и распада, ассимиляции и диссимиляции в живых существах идет постоянный круговорот веществ и превращение энергии. Какое количество энергии было поглощено, столько же ее выделяется при диссимиляции. Энергия, освободившаяся при диссимиляции, осуществляет процессы, которые характеризуют сущность жизни и все ее проявления.

Организм и среда

Процессы ассимиляции и диссимиляции, характеризующие жизнь и различные ее проявления, могут осуществляться только с участием внешней, окружающей организм среды. Среда эта очень сложна и изменчива, поэтому организм, чтобы существовать, должен постоянно ощущать все, что в ней происходит. Разумно оценивать обстановку животные, а тем более растения и простейшие организмы, у которых вообще отсутствует нервная система, конечно, не могут. Зато все живые существа, начиная от одноклеточной амебы и водоросли и кончая человеком, обладают замечательным свойством отвечать (реагировать) на внешние воздействия. Это свойство живых организмов называется раздражимостью.

Долгое время считали, что свойствами раздражимости обладают только животные, имеющие нервную систему. В настоящее время доказано, что раздражимость — всеобщее и важнейшее свойство живых организмов. Ею обладают простейшие одноклеточные существа, животные, растения и человек.

Перемена условий среды, которая вызывает реакцию со стороны организма, называется раздражителем. Живые организмы в процессе эволюции приобрели свойства реагировать только на определенные условия внешней среды и их изменения. Именно эта способность позволяет организмам избирать требуемые для их жизни и развития условия.

Итак, значение раздражимости состоит в том, что она позволяет живым существам находиться в постоянной связи с окружающим миром, дает возможность приспособляться к нему, уравновешивать его влияние, благодаря чему и возможны защита и сохранность жизни.

Животные и растения по-разному реагируют на воздействие внешней среды вследствие неодинакового уровня их развития и различного характера приспособления к условиям жизни.

У простейших и у растений раздражимость проявляется в относительно элементарных формах. Простейшие, как и некоторые подвижные отдельные клетки многоклеточных организмов (сперматозоиды, лейкоциты, подвижные споры), обнаруживают раздражимость в форме таксисов, то есть движений в сторону раздражителя или от него. Если организм уходит от раздражителя, это называется отрицательным таксисом, если же организм движется к раздражителю, значит, таксис его положителен. Название того или иного вида таксиса определяется характером раздражителя. Так, фототаксисом именуют движение, возникшее под действием света, хемотаксисом — вызванное химическим веществом, термотаксисом — изменением температуры и т. д.

Приведем несколько примеров. Стремление к свету характерно не только для целых растений, но и для каждой живой зеленой клетки. На слабом свету хлоропласты «подплывают» к стенкам клеток, обращенным к свету, и располагаются перпендикулярно к лучам света. Это явление положительного фототаксиса позволяет улавливать максимум солнечных лучей. А на очень ярком свету в клетках растений осуществляются противоположные реакции: хлоропласты очень быстро становятся ребром к свету, разбегаются в стороны и прячутся от солнечных лучей, тесно прижимаясь к боковым стенкам клеток (отрицательный фототаксис). Под микроскопом это явление легко наблюдать, но объяснить его пока что полностью не удается. Ясно одно, что под действием освещения в протоплазме клеток зеленых растений разыгрываются какие-то сложные физиолого-биохимические реакции, которые управляют поведением хлоропластов. Зеленые одноклеточные водоросли под действием света ведут себя аналогично хлоропластам клеток растений. Если стеклянный сосуд с водой, содержащий подвижные клетки зеленых водорослей (например, эвглену), освещать с одной стороны, зеленые организмы соберутся к свету. Значит, зеленые водоросли проявляют положительный фототаксис. Инфузории туфельки находятся обычно в самом верхнем слое воды, потому что они нуждаются в кислороде и собираются там, где его больше, то есть проявляют положительный хемотаксис по отношению к кислороду.

Большое биологическое значение имеют таксисы и у подвижных клеток многоклеточных животных и растений. В основе процесса оплодотворения, то есть слияния гамет, лежат хемотаксические реакции. Особенно отчетливо они проявляются при слиянии гамет у водных животных. Яйцеклетки вырабатывают особые вещества, которые оказывают мощное положительное хемотаксическое действие на сперматозоиды своего вида. Эти же вещества хемотаксически отрицательно влияют на «чужие» сперматозоиды. Высокая специфичность этих реакций и исключительная чувствительность сперматозоидов поразительны — они реагируют на ничтожно малые концентрации «привлекающих» веществ, выделяемых яйцеклеткой.

Хемотаксические реакции лежат в основе питания простейших животных. Простейшие проявляют положительный хемотаксис по отношению к веществам, пригодным к пище, и отрицательный к веществам, бесполезным и ядовитым.

Выдающийся русский ученый И. И. Мечников открыл замечательную особенность особых структурных телец крови — фагоцитов находить и уничтожать возбудителей заболеваний (различных бактерий), проникающих в организм. Эта особенность фагоцитов бороться с вредными бактериями организма связана с положительной хемотаксической реакцией.

Растения не располагают специальными, воспринимающими раздражение органами. Раздражимость растений проявляется в форме тропизмов и настий. Тропизмами называют направленные ростовые движения (изгибы) растений под влиянием односторонних воздействий внешней среды. Тропизмы можно наблюдать у молодых растений, когда в их верхушках под действием особых химических веществ (гормонов роста растений, или ауксинов) происходит изгиб.

Механизм изгибания стеблей растений в сторону света заключается в том, что на освещенной стороне стебля ауксин частично разрушается, а частично переходит в затененную сторону. Создавшийся там избыток этого гормона усиливает рост, в результате чего стебель изгибается в направлении источника света. Внешне это явление выглядит так, будто бы растение «тянется» к раздражителю или, наоборот, отстраняется от него. Характерной чертой тропизмов является их четкая направленность. Как и таксисы, тропизмы могут быть положительными или отрицательными.

Раздражители, вызывающие тропизмы, различны по своему характеру. Например, широко известен, как уже было отмечено, фототропизм.

Явление геотропизма проявляется у растений по отношению к действию силы тяжести. Стебли всегда растут вверх, в сторону, противоположную действию силы тяжести. Корни же, наоборот, тянутся вниз, то есть они обладают положительным геотропизмом, а стебли — отрицательным. Известны также хемотропизмы — реакции на действие химических веществ, и тигмотропизмы, то есть ответное действие на прикосновение. Тигмотропизмом обладают многие стелющиеся растения (виноград, хмель, плющ): для роста они нуждаются в соприкосновении с какой-либо опорой (деревом, стеной и т. п.).

Особым видом двигательных реакций растений являются настии. Так называют реакции, которые возникают в ответ на раздражение, действующее на растение не односторонне (как при тропизмах), а со всех сторон. Настии возникают в ответ на действие тех же факторов среды — света, температуры, влажности и т. д. К явлениям настий относятся поднятие и поникание листьев, раскрытие и поворачивание цветов. Движение этих органов происходит благодаря изменению давления протоплазмы клеток, возможно, при этом известную роль играет и их рост. Примером фотонастий может служить явление световой мозаики, то есть такое расположение листьев, при котором они не затеняют друг друга. Очень чувствительны к изменению температуры цветы. На основании этого свойства К. Линней устроил у себя в саду «цветочные часы».

Он подобрал почти на каждый час суток открывающиеся или закрывающиеся цветы. Кроме фото- и термонастий, известны также никтинастии, то есть сужение листьев ночью, и ряд других.

Очень сложные автоматические движения типа настий проявляются у упомянутого нами миксотрофного растения мухоловки. Если на ее лист сядет насекомое, в ответ на раздражение лист захлопывается, и жертва оказывается в западне. Когда насекомое начинает биться, чтобы выбраться, усиливается раздражение секреторных клеток листа, они выделяют сок, содержащий ядовитые вещества, и протеолитический (растворяющий белки) фермент. Насекомое погибает, переваривается и всасывается. После этого лист раскрывается и вновь готов к «охоте».

В эволюции многоклеточных животных большое значение имела их подвижность как свойство, необходимое при добывании пищи. В связи с подвижностью у многоклеточных животных возникли приспособления, обеспечивающие ориентацию в окружающей среде — специальные нервные окончания, так называемые рецепторы, служащие для восприятия определенных изменений среды. В дальнейшем развитии организмов они усложнялись и превращались в специальные органы чувств. В ходе эволюции рецепторы приобретали способность тонко реагировать на ничтожно малые изменения среды, что связано с развитием у них возбудимости.

Наивысшего развития способность отвечать на раздражения достигла у подвижных многоклеточных животных. Это объясняется возникновением и развитием у них специализированных возбудимых тканей, в первую очередь нервной и мышечной.

Возбуждение представляет собой активный ответ данной клетки или ткани на раздражение. Оно сопровождается повышением жизнедеятельности и соответствующими изменениями обмена веществ и выражается в специфической для каждой ткани форме (например, железистая клетка при возбуждении выделяет секрет, мышца сокращается и т. д.). Нервные волокна обладают способностью с большой скоростью проводить возбуждение в виде так называемых нервных импульсов, с помощью которых осуществляется координация деятельности всех частей тела многоклеточных животных и взаимодействие животных с условиями внешней среды. Установлено, что возбуждение у высших животных распространяется со скоростью более чем 100 метров в секунду.

Основной формой раздражимости животных, имеющих центральную нервную систему, служит рефлекс — определенная реакция организма, наступающая в ответ на раздражение органов чувств и других рецепторов. Термин рефлекс (отражение) введен в науку французским философом Р. Декартом в XVII веке. Он впервые сформулировал понятие рефлекса как универсального механизма деятельности человека и животных. Впоследствии рефлекторные реакции исследовались многими физиологами и представления о физиологической сущности рефлекса углублялись и совершенствовались. Много нового в учении о рефлекторной деятельности нервной системы внес основоположник русской физиологической школы И. М. Сеченов. Классический труд И. М. Сеченова «Рефлексы головного мозга» (1863 г.) имел огромное значение для формирования естественнонаучного материалистического мировоззрения передовой революционной интеллигенции 60-х годов прошлого века.

Рефлекторный акт имеет большое приспособительное значение. Животные, обладающие рефлекторной функцией, могут быстро реагировать на различные изменения внешней или внутренней среды.

По мере повышения организации животных усложняется и рефлекторная раздражимость. При развитии сложных центральных систем появляется новая форма рефлекторной раздражимости — образование связи между отдельными рефлексами. В результате возникают сложные цепные рефлексы — инстинкты (от лат. инстинктус — побуждение), то есть врожденная форма поведения животного, типичного для данного вида. Эта форма рефлекторной раздражимости характеризуется тем, что один рефлекс может непосредственно вызвать другой, а этот — следующий и т. д. Таким образом создается сложная цепь рефлексов, строго закрепленные формы поведения, характерные для инстинктов. Возникновение сложных форм инстинктивного поведения было важным этапом эволюции форм раздражимости, скачком в приспособленности животных к условиям среды.

Простые и сложные рефлексы наследуются от родителей. Они проявляются в ответ на соответствующие раздражители независимо от обучения. Создатель материалистического учения о высшей нервной деятельности И. П. Павлов назвал их безусловными рефлексами. В отличие от них условные рефлексы приобретаются в процессе индивидуальной жизни и лежат в основе обучения.

Условный рефлекс возникает при сочетании безусловного рефлекса с каким-либо раздражителем, первоначально не связанным с данным рефлексом. Например, если каждый раз, когда собака получает корм, звенит звонок, то после известного числа повторений устанавливается новая связь, или условный рефлекс. В результате у собаки в ответ на звук звонка слюнные железы выделяют слюну. Если же собаке с выработанным условным рефлексом на звонок давать корм, не сопровождая его звонком, то условный рефлекс исчезнет. Таким образом, как говорил И. П. Павлов, «постоянную связь внешнего агента с ответной на него деятельностью организма законно называть безусловным рефлексом, а временную — условным рефлексом».

Павлов считал, что деятельность насекомых базируется в основном на сложных цепных безусловных рефлексах — инстинктах. Однако отсюда не следует, что насекомые совершенно лишены способности к приобретению условных рефлексов. В настоящее время хорошо известно, что в ограниченной мере они способны к обучению. Эта способность нашла себе применение в пчеловодстве. Путем так называемой «дрессировки» пчел можно приучить к определенным запахам и к посещению определенных видов растений.

Наибольшего развития условные рефлексы достигают у позвоночных животных, имеющих центральную нервную систему, которая состоит из спинного и головного мозга. При высших формах условнорефлекторной деятельности временные связи устанавливаются в коре головного мозга. Если у собаки или другого какого-либо млекопитающего удалить большие полушария головного мозга, то оперированные животные бывают не способны образовывать условные рефлексы.

Явления раздражимости лежат в основе не только взаимодействия организма и среды, но также служат для согласования функций всех частей организма, существования и развития его как целого. И. П. Павлов различал высшую нервную деятельность, обеспечивающую нормальные сложные взаимоотношения организма с внешним миром, и низшую нервную деятельность. Последняя обеспечивает целостность организма, согласованность всех его функций и органов. Четкое согласование и взаимосвязь работы органов необходимы для осуществления основных процессов: пищеварения, кровообращения, дыхания и т. д. В организме деятельность всех органов представляет собой единое целое. Без такой согласованности и четкого ритма работы органов жизнь организма невозможна. Спинной мозг и подкорковые центры головного мозга управляют работой органов внутри организма, а кора головного мозга осуществляет связь организма со средой.

Единство высшей и низшей нервной деятельности обусловливает приспособленность организма к условиям внешней среды, сохраняет жизнь особи. «Живой организм представляет крайне сложную систему, составленную из почти бесконечного ряда частей, связанных как друг с другом, так и в виде единого комплекса с окружающей средой», — утверждает И. П. Павлов[3].

Границы жизни

Живые существа находятся в определенных условиях, или среде обитания, которая воздействует на них и в то же время сама изменяется в результате жизнедеятельности организмов. Этот сложный и грандиозный процесс в природе раскрыл и изучил советский ученый В. И. Вернадский (1863–1945 гг.). Область жизни живых организмов он назвал биосферой, которая имеет весьма обширные границы на земле и в атмосфере. Под действием живых организмов происходят круговорот химических элементов и существенные изменения в биосфере.

Взаимоотношения организмов со средой их обитания изучает наука экология. В среде обитания могут быть различные факторы: абиотические (а — отрицание не, биос — жизнь, то есть неживые) — это физикохимические условия и биотические — взаимоотношения между организмами.

Рассмотрим важнейшие абиотические условия жизни. Все биохимические и физиологические процессы в любом организме могут осуществляться только при определенных температурных условиях. У большинства организмов жизнедеятельность протоплазмы возможна в пределах от —4 до +40–45°. При более высоких температурах начинается разложение ферментов и других белковых соединений, вызывающее смерть. Однако в природе существуют исключительно устойчивые организмы. Некоторые животные и водоросли живут в горячих источниках при +90°. В горячих источниках при +81° найдены круглые черви — нематоды, личинки мух — при +69° и др.

В Анатолии (Турция) австрийский зоолог Швейгер обнаружил свободно плавающих рыб в горячих серных источниках, температура которых доходит до +41°.

Другие организмы, напротив, приспособились к очень низким температурам, к жизни в наиболее холодных районах нашей планеты. Так, в районе полюса холода северного полушария — в Верхоянске насчитывают до двухсот видов растений. Антарктический материк почти совершенно безжизнен: здесь не хватает тепла, нет почвы и сплошные массы вечного льда покрывают материк. Но на участках, обнаженных ото льда (оазисах), найдено несколько десятков видов беспозвоночных животных и низших растений. Они живут здесь, несмотря на то, что минимальные температуры достигают —80° и ниже.

Устойчивость организмов к очень высоким или низким температурам повышается при снижении воды в их протоплазме, что приводит к снижению активности обмена веществ. Длительный и глубокий покой у организмов наступает при снижении содержания воды в клетках протоплазмы. В таком состоянии организмы бывают очень устойчивы к резким изменениям температуры. Так, колорадские жуки во время диапаузы (период покоя, остановки развития у насекомых) выносят в течение часа температуру +58°.

У микроорганизмов в состоянии покоя (цисты, споры) количество воды уменьшается очень резко, протоплазма становится вязкой, она не свертывается и не погибает при температурах кипения воды, а иногда и при +130–150° (под давлением).

Долгое время думали, что многие животные, в том числе и позвоночные (рыбы, лягушки), зимой промерзают, а весной вновь оживают. Впоследствии выяснилось, что это не так: кристаллы льда в протоплазме клеток высокоорганизованного животного нарушают структуру клетки и организм погибает. Но если клетка теряет воду, устойчивость ее к холоду повышается. Без воды клетки и ткани не замерзают. Например, некоторые относительно примитивные животные (коло-воротки, тихоходки, нематоды) в высушенном состоянии способны выносить охлаждение вплоть до температур, близких к абсолютному нулю. Такой же выносливостью обладают споры и семена растений.

Глубокое снижение всех процессов жизнедеятельности у живых организмов называется анабиозом, или скрытой жизнью. Организмы в состоянии анабиоза внешне не проявляют никаких признаков жизни. При этом дыхание и другие обменные процессы настолько снижены, что их не удается уловить с помощью специальных чувствительных приборов. Переход живого организма в состояние анабиоза связан прежде всего с потерей воды. Простейшие в таком состоянии сохраняют способность возвращаться к активной жизни даже после шестилетнего периода покоя.

Феноменальными свойствами анабиоза обладают тихоходки (мелкие многоклеточные животные). Длина их тела обычно не превышает 0,5 мм. Они очень просто устроены, не имеют кровеносной системы. В 1948 году итальянка Францеччи провела следующий опыт: намочила мох, засушенный в 1828 году и сохранившийся в гербарии Ботанического института в городе Турине; и вот в этом стодвадцатилетнем мху обнаружили… ожившую тихоходку. Засушенные тихоходки способны переносить в течение нескольких минут высокие температуры (+ 110–120°). Могут просуществовать в анабиозе в течение нескольких месяцев в запаянных стеклянных трубках, наполненных чистым водородом, неоном, аргоном, азотом, сероводородом и другими ядовитыми газами. Эти насекомые, высушенные в безвоздушном пространстве, способны переносить температуры, близкие к абсолютному нулю, и другие крайне неблагоприятные условия.

Длительное состояние анабиоза способны переносить семена и споры растений. Например, плодики лотоса, хранившиеся в музее в сухом месте более ста лет, при посеве дали почти стопроцентную всхожесть.

Немногим более двадцати лет назад учеными было обнаружено весьма интересное явление. При быстром погружении живой ткани или микроорганизмов в жидкий воздух (около —190°) они мгновенно замерзают, но после оттаивания остаются живыми. Оказалось, что при очень быстром охлаждении вода не кристаллизуется и застывает, как стекло. Переход воды протоплазмы клеток в стеклообразное, а не кристаллическое твердое состояние называется витрификацией. Этот процесс удается осуществить только с микроскопически малыми биологическими объектами.

Многочисленные опыты с насекомыми и другими беспозвоночными, а также с холоднокровными позвоночными (рыбы, амфибии) показали, что и эти животные оказались способными возвращаться к жизни после пребывания при температуре ниже нуля, например при —10, —14° и более низких температурах. Гусеницы кукурузного мотылька, зимующие в стеблях травянистых растений, при —30° нередко замерзают настолько, что становятся совершенно твердыми и сохраняются в течение многих лет; после оттаивания они продолжают жить. В специально поставленных опытах эти гусеницы «оживали» после суточного пребывания в температуре —78° в замерзшем, твердом, как стекло, состоянии. Однако возвращение этих животных к жизни после пребывания в отрицательных температурах возможно лишь в тех случаях, когда во время охлаждения их тканевые жидкости в жизненно важных органах находились в жидком переохлажденном состоянии. Когда же тканевые жидкости замерзают и кристаллики льда нарушают внутриклеточные структуры, при оттаивании неизбежно наступает смерть.

Открытие явления витрификации имеет важное практическое значение. Уже в настоящее время разработаны способы хранения спермы сельскохозяйственных животных в сжиженных газах при температуре —180–190°. В витрифицированном виде сперма может находиться, сохраняя свою жизнеспособность, в течение нескольких месяцев, и после оттаивания ее можно использовать для искусственного осеменения. Высушенная при определенных условиях сперма также может храниться очень долго, не теряя своей жизнеспособности.

Различные формы применения холодного анабиоза имеют важное практическое значение для медицины. Применяя методику высушивания с помощью низких температур, готовят вакцины, которые сохраняют иммунизирующие свойства в течение ряда лет. Мгновенное замораживание крови не нарушает структуры ее элементов и дает возможность после длительного хранения использовать ее для переливания больным и раненым.

Описанные выше опыты подсказаны науке природой. Многие организмы при наступлении периодов с неблагоприятными условиями прекращают активную жизнь и впадают в различного рода пассивные состояния, связанные с резким снижением обмена веществ. В неподвижном состоянии они оказываются способными переносить значительно более широкие колебания факторов среды, чем в активном состоянии. В нашем климате таким неблагоприятным периодом являются зимние холода. В оцепенении проводят зиму все земноводные (лягушки, жабы, тритоны), наземные пресмыкающиеся (ужи, ящерицы, змеи, черепахи), насекомые и другие наземные беспозвоночные. Это в меньшей мере относится к водной жизни, так как температура воды пресных вод не может снизиться ниже нуля, а морских — ниже —2°. Поэтому многие водные животные, например холоднолюбивые лососевые рыбы, зимой ведут активную жизнь, даже развитие их икры проходит в зимнее время. Вместе с тем многие теплолюбивые пресноводные рыбы средних широт (сазан, карась, сом) зимой не питаются, находятся как бы в сонном состоянии. Черепахи, живущие в жарком пустынном климате, впадают в спячку дважды: зимой и в самые жаркие летние месяцы (июль — август), когда выгорает растительность, которой они питаются.

Резко, хотя и не столь сильно, как во время зимнего оцепенения холоднокровных, снижается обмен веществ и температура тела во время зимней спячки млекопитающих. Из млекопитающих в спячку впадают многие тушканчики, сони, мышовки, ежи, некоторые виды летучих мышей, из хищных млекопитающих — барсук, енотовидная собака, медведь.

Число видов животных, впадающих в оцепенение в период летней засухи, более ограничено: среди них некоторые насекомые (клоп-черепашка), из позвоночных — пустынные черепахи, из млекопитающих — несколько видов сусликов. Африканская двоякодышащая рыба протоптерус при высыхании водоема зарывается в ил. Тело протоптеруса покрывается слизью, которая, подсыхая, образует вместе с прилегающим илом защитную капсулу. Рыба при очень сильно сниженном обмене дышит через отверстие в капсуле.

Особая форма пассивного состояния характерна для насекомых. Многие виды насекомых обладают способностью приостанавливать развитие и переходить на различных стадиях развития в состояние диапаузы. Различают эмбриональную, личиночную, куколочную диапаузы и диапаузу взрослой стадии. В состоянии диапаузы обмен резко снижен и изменен, легко переносятся низкие температуры и другие неблагоприятные условия среды, губительные для насекомого в активном состоянии. Например, в состоянии диапаузы насекомые нечувствительны или мало чувствительны к такому сильному яду, как цианистый калий.

В нашем климате диапауза чаще всего служит приспособлением к зимовке и наступает на той стадии, на которой данный вид зимует. Характерно, что зимующие стадии насекомых впадают в состояние диапаузы задолго до наступления холодов. Как показали исследования советского ученого А. С. Данилевского, у многих насекомых переход в состояние диапаузы вызывается укорочением продолжительности дня во второй половине лета. Бабочка-белянка в первом поколении (в начале лета) развивается без диапаузы, а во втором поколении, гусеницы которого живут в конце лета при более коротком дне, наступает куколочная диапауза, и в этом состоянии куколки зимуют. Здесь продолжительность дня играет роль сигнального фактора, обеспечивающего своевременную реализацию приспособлений к зимовке.

Кроме температурных условий, другими физикохимическими факторами внешней среды, определяющими жизнь живых существ, являются: кислород, вода, свет, давление, рельеф и структура почвы, солевой состав воды, радиация и т. д.

Кратко остановимся на некоторых из перечисленных факторов.

Кислород обязательно входит в состав живого вещества. Но, помимо кислорода, связанного химически, подавляющее число организмов нуждается и в свободном молекулярном кислороде для дыхания.

Без воды не может существовать живая протоплазма и организм в целом. Активная жизнь организмов протекает только тогда, когда количество воды в теле значительно превышает количество сухого вещества. Для построения своего тела организмы обязательно должны использовать воду из внешней среды или из пищи.

Одним из важнейших физико-химических условий является свет. Солнечный свет не только источник энергии для всей жизни на Земле, но влияет на рост растений, его морфологию, анатомическое строение, минеральное питание.

Растения очень чутко реагируют на освещение. Они, например, «замечают» такую разницу в длине дня, которую нелегко уловить и человеку. Изменение продолжительности дневного освещения всего на несколько минут оказывает существенное влияние на скорость развития некоторых сортов риса. А изменение освещенности в несколько часов способствует зацветанию растений. В связи с этим многие растения делятся на длиннодневные и короткодневные. Последние зацветают при длине дня меньше 14 часов. К короткодневным растениям относятся астры, хризантемы, георгины, картофель и др. Эти растения цветут обычно ранней весной или поздним летом. Растения других видов (например, свекла, клевер, лен, рожь, пшеница) зацветают только при продолжительности дня больше 14 часов. Многие растения нейтрально относятся к длине дня (хлопчатник, одуванчик, подсолнечник, помидор и др.).

Для жизни живых организмов немаловажное значение имеют и другие факторы: рельеф местности, структура почвы и т. п.

Взаимоотношения организмов между собой

Связи организмов между собой весьма многообразны, ими обеспечивается существование каждого вида. В первую очередь это трофические (пищевые) связи между организмами, которые по отношению друг к другу выступают и в роли пищи, и в роли ее потребителя. Трофические связи устанавливаются как между растительными и животными организмами, так и в пределах животного мира (хищник — жертва). Многообразие приспособлений у отдельных видов животных и растений защищает их от врагов, болезней, обеспечивает размножение и поддержание других сложных биотических зависимостей между организмами в природе. Насколько велико их значение, видно хотя бы из того, что численность, например, вредных насекомых, как и многих других животных, в природных условиях в очень сильной, а часто и решающей степени зависит от истребляющих их хищников, паразитов и болезней, вызываемых микроорганизмами.

Среди самых разнообразных, сложных и закономерных отношений живых организмов выделяют два типа отношений: отношения между особями одного вида и межвидовые отношения.

Число особей, слагающих вид, определяется соотношением пополнения и убыли, то есть типом динамики стада, или внутривидовой группировки. Численность вида обычно связана с его образом жизни, в первую очередь с обеспеченностью пищей. Хорошо известно, например, что крупные хищные животные обычно малочисленны, что позволяет им охотиться на значительной территории и нормально питаться. Мелкие же растительноядные виды обладают гораздо большей плотностью населения. Следовательно, численность вида и у животных, и у растений, характер ее динамики — важное видовое свойство.

Внутривидовые связи у животных и растений очень разнообразны. Существуют, например, такие внутривидовые связи, как стаеобразование, гнездовые колонии (у птиц), сложная структура стада (у копытных), взаимоотношения полов и т, д. Все это способствует существованию вида, хотя в некоторых случаях эти связи носят внутренне противоречивый характер. Иногда за счет гибели части особей обеспечивается сохранение вида в целом. Еще Ч. Дарвин указывал, что гибель отдельных пчел после жаления оказывается полезной для всего вида. Смерть старых особей, потерявших полностью или ослабивших способность воспроизводиться, — тоже видовое приспособление. Имеет место в природе и такое явление, когда одни особи живут за счет других. Известно, что взрослый окунь нередко поедает свою молодь. Это позволяет окуню жить в таких водоемах, где нет других рыб, которыми он мог бы питаться. Значит, это полезное для вида приспособление.

Разнообразные гармоничные и противоречивые внутривидовые отношения вырабатываются вследствие естественного отбора, и они способствуют процветанию вида в целом.

Виды животных в природе не существуют и не могут существовать изолированно, а находятся в тесной зависимости друг от друга. В связи с этим возникло много различных форм межвидовых отношений и приспособлений к совместному существованию. В одних случаях в результате совместной жизни двух видов они приносят друг другу пользу (симбиоз), в других — один из партнеров полностью живет за счет другого, то есть является паразитом.

Между двумя этими крайними формами приспособления к совместной жизни в природе существует много переходных форм взаимоотношений между видами. В растительном и животном мире часто можно видеть, когда один из членов сожительства извлекает из этого пользу для себя, не причиняя вреда своему сожителю. Такое явление называется синойкией, или пространственной близостью. Синойкия является своеобразным квартирантством.

Среди растений имеются такие, что развиваются на корнях или стеблях других растений, но питаются самостоятельно, как, например, мхи и лишайники, растущие на деревьях. Хмель, вьюнок и другие травянистые лианы пользуются другими растениями лишь как опорой. Некоторые растения могут проникать в полости другого, находя там благоприятные условия для развития, но также не вступая с ними в тесные взаимоотношения. Например, в пустых клетках некоторых торфяных мхов нередко поселяется один вид водоросли под названием носток, а в полостях листьев папоротникообразного растения озолла постоянно живет водоросль анабена.

Примером синойкии в животном мире может служить молодь некоторых морских рыб, которая держится в сфере действия щупалец крупных медуз и в случае опасности прячется под зонтик своего партнера, защищенного стрекательными клетками. Мелкие воробьиные птицы, живущие в стенках орлиных гнезд, бывают там в безопасности: орлы не обращают на них внимания, а враги мелких птиц не смеют приблизиться к жилью этого могучего хищника. «Квартиранты» извлекают и другую пользу: ловят птенцам мух, привлекаемых в гнездо орла запахом разлагающегося мяса.

Комменсализм (нахлебничество) является таким видом синойкии, при котором один из членов сожительства использует остатки пищи другого. Комменсализм особенно часто встречается среди обитателей моря. На коже акул можно встретить прикрепившихся рыб-прилипал, которые питаются остатками пищи, не нанося вреда акуле. В норах морских многощетинковых червей и в раковинах моллюсков поселяются другие морские животные, по-видимому, не принося хозяину ни пользы, ни вреда. Задний конец кишечника морского огурца (из иглокожих) служит убежищем для маленькой рыбки, куда она скрывается от хищников. Оригинальное нахлебничество, близкое к паразитизму, наблюдается у морского червя бонеллия. Самка бонеллии крупная, снабжена очень длинным хоботом, самец же карликовый и обитает в хоботе самки.

Черви бонеллии: а) самка; б) самец.

В желудке и кишечнике жвачных живет множество инфузорий, которых по биологической сущности взаимоотношений можно отнести к комменсалам, а по местообитанию внутри другого организма — к паразитам.

Сожительство с обоюдной пользой называется симбиозом (мутуализмом).

Примеров симбиоза в животном и растительном мире очень много. Особенно часто симбиоз наблюдается между водорослями и другими организмами. Некоторые одноклеточные водоросли подобно паразитам поселяются внутри другого организма и вступают с ним в тесную физиологическую связь. Обычно таким хозяином для них служит гриб или животное, которые не могут самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических, тогда как водоросль сохраняет хлорофилл и способность к фотосинтезу.

Классическим примером очень тесного, закрепленного длительной эволюцией симбиоза служат лишайники. Эта своеобразная группа низших споровых растений насчитывает в своем составе около двадцати тысяч видов с характерным строением и биологическими особенностями. По микроскопическому строению и развитию лишайники представляют собой как бы составной организм из гриба и одноклеточных водорослей. Гриб добывает и сохраняет влагу и некоторые другие вещества. Водоросли же, обладая способностью к фотосинтезу, создают необходимые органические вещества. Благодаря такому сожительству лишайники и получили возможность поселяться даже на голых скалах.

Многие одноклеточные водоросли легко усваивают органические вещества. На этой основе и возник весьма распространенный симбиоз водорослей с некоторыми беспозвоночными животными. Одноклеточные круглые зеленые водоросли зоохлореллы поселяются внутри клеток амеб, инфузорий, губок, гидр, коралловых полипов, некоторых червей и моллюсков. Один из видов пресноводных гидр всегда зеленого цвета, потому что в клетках внутреннего ее слоя в большом количестве живут зоохлореллы.

Происхождение такого симбиоза вполне понятно.

Когда-то низшие беспозвоночные, способные к внутриклеточному пищеварению, заглатывали наряду с другой пищей и хлорелл. Но не все водоросли оказывались переваренными. Постепенно это привело к взаимному приспособлению и к установлению постоянного симбиоза. Интересно, что при размножении амебы зоохлореллы равномерно распределяются между дочерними особями, а у зеленой гидры они проникают в протоплазму яйцеклетки. Взаимоотношения обоих организмов в данном типе симбиоза состоят, очевидно, в том, что животное частично переваривает содержащиеся в его теле клетки водоросли или использует вырабатываемые ею углеводы, а водоросль пользуется преимуществами защищенного местообитания и питается азотсодержащими веществами протоплазмы хозяина.

Примером симбиоза могут служить также взаимоотношения между бобовыми растениями и живущими в особых разрастаниях их корней клубеньковыми бактериями, способными использовать свободный азот воздуха.

Среди животных к этому типу симбиоза относится получившее широкую известность сожительство рака-отшельника и актинии. Рак-отшельник переносит актинию на себе, которая его защищает и способствует добыванию пищи.

Симбиоз: 1) полипа и губки; 2 и 3) рака-отшельнка и актинии; 4) краба и губки.

Интересное обоюдно полезное сожительство наблюдается в муравейнике. Блестящий жук-бронзовка, хорошо защищенный непроницаемым хитином, проникает в нижние части старой муравьиной кучи и откладывает там яички. Личинки бронзовки, достигающие четырех сантиметров длины, строят плотные домики-«кубышки», из которых выступают наружу только их челюсти. Эти личинки питаются влажным строительным материалом нижней части муравейника, вследствие чего муравьиная куча оседает, а муравьи достраивают ее сверху. Это спасает муравейник от гибели, так как, отсырев снизу, он легко поражается плесневыми грибами.

Классическим примером симбиоза служат термиты и обитающие в их кишечнике одноклеточные жгутиковые из отряда гипермастигина. Термиты питаются древесиной, но фермента, разрушающего ее, у них нет. Живущие в их кишечнике жгутиковые имеют фермент, который вызывает разложение клетчатки древесины до сахаров. Термиты не могут обходиться без этих простейших и, искусственно освобожденные от них, погибают. Свежевылупившийся из яйца термит инстинктивно лижет анальное отверстие другого термита и получает таким образом жгутиковых. Также и соответствующие виды жгутиковых могут жить только в кишечнике термитов.

В природе многие виды животных питаются, убивая и поедая животных других видов. Такая форма взаимоотношений называется хищничеством. Оно распространено во всех группах животного мира. Много хищников, например, среди жуков и других насекомых. Хищные насекомые служат одним из главных факторов, ограничивающих численность вредных насекомых. Поэтому хищные насекомые в отличие от растительноядных должны быть отнесены к полезным животным.

За исключением немногих видов (ястреб-перепелятник и тетеревятник, камышовый лунь) полезны хищные птицы и многие млекопитающие, как корсак, степной хорек, ласка, во многих случаях лисица, так как они истребляют большое количество таких вредителей, как мышевидные грызуны. Одна ласка в течение года уничтожает несколько тысяч мелких грызунов. В местах кормежки этого маленького хищника обнаруживали в запасе более 450 полевок и мышей. Степной хорек в сутки съедает по одному суслику либо примерно по десять полевок. В норках хорька находили по 50 убитых сусликов.

Одним из крупных хищников является волк. Волки широко распространены в северном полушарии. На территории Советского Союза он встречается от арктических тундр на Крайнем Севере до южных государственных границ, населяя все природные зоны до альпийского пояса гор включительно. На единицу территории едва ли не больше всего волков в Казахстане.

Волк потребляет главным образом животную пищу, поедая диких копытных, птиц, зайцев и многие виды грызунов. Не брезгует и падалью. В южных районах страны во второй половине лета и осенью волки нередко «разнообразят» свой рацион фруктами и бахчевыми культурами. Часто волки нападают на домашних животных, особенно страдают от них овцы.

Сильно преувеличенное представление о необыкновенной прожорливости волков основано на том, что часть мяса эти звери растаскивают и прячут. Съедает же волк в сутки не более 2–2,5 килограмма мяса. Большую часть года волки охотятся на значительной территории, пробегая иногда за ночь до 40 километров. Летом при выращивании потомства волки оседлы и разыскивают корм в радиусе нескольких километров от логова.

Волки приносят не один лишь вред. В слабо освоенных человеком районах, а также на территории заповедников, где много диких копытных, волки являются своего рода «санитарами» и регуляторами численности диких копытных. Они уничтожают в первую очередь больных и слабых животных, не дают виду возможности чрезмерно размножиться и подорвать свою кормовую базу.

В большинстве национальных парков США и Канады борьба с волками прекращена 10–15 лет назад, а в некоторых из них никогда не проводилась. Волки рассматриваются в этих странах как обязательные члены природного комплекса на заповедной территории, предотвращающие перенаселение местности дикими копытными.

О том же, к чему приводит полное уничтожение хищников, мы расскажем в последней главе данной брошюры.

Итак, хищничество, широко распространенное в природе, накладывает отпечаток на такие факторы, как расселение и численность отдельных видов. При эволюционном развитии хищники не только приобрели многие приспособления, связанные с их образом жизни, но и сильно повлияли на историческое развитие своих жертв. Чтобы выжить, спастись от хищника, животные должны обладать разными приспособлениями, такими, как, например, покровительственная окраска, способность к быстрому бегу, ночной образ жизни, высокая плодовитость и многое другое.

Такой тип взаимоотношений между организмами, при котором один живет за счет другого, получил название паразитизма. В отличие от хищников, использующих свою жертву для однократного насыщения, паразиты, как правило, длительно питаются за счет хозяина.

Паразиты произошли от свободно живущих форм, с последними их связывает ряд переходов (индифферентное сожительство, «квартирантство», «нахлебничество», хищничество и т. д.).

Паразиты, питающиеся «готовой» пищей и защищенные телом хозяина, в процессе приспособительной эволюции претерпевают сильное упрощение организации. Так, для внутренних паразитов, питающихся осмотически (поверхностью тела), кишечник перестает быть жизненно важным органом, и действительно, у далеко зашедших по пути приспособления к паразитическому образу жизни ленточных червей (солитеров) нет кишечника. У паразитов очень сильно упрощаются нервная, кровеносная и другие системы органов.

Особенно большое распространение явление паразитизма получило в животном мире. Среди почти всех типов животного мира имеются паразитические виды. По современным данным, насчитывается около 65 000 видов животных, ведущих паразитический образ жизни. Наиболее часто паразитические формы встречаются среди простейших, червей, ракообразных, паукообразных (клещи) и насекомых. Отдельные классы животных (споровики из простейших, сосальщики и ленточные черви из плоских червей, колючеголовые черви) состоят исключительно из паразитических видов. Хозяевами паразитов могут быть самые разнообразные растения и животные, в том числе и сами паразиты имеют своих паразитов (сверхпаразитизм).

В растительном мире паразитизм наиболее распространен среди бесхлорофильных групп низших растений — бактерий, грибов. Паразитирующие на культурных растениях грибы наносят большой вред сельскому хозяйству, вызывая опасные и быстро распространяющиеся болезни растений. Назовем в качестве примеров головневые (пыльная и твердая головни) и ржавчинные (хлебная ржавчина) грибы, поражающие хлебные злаки, а также грибок — возбудитель рака картофеля.

Некоторые цветковые растения ведут полупаразитический образ жизни. Они сохранили способность к фотосинтезу, а следовательно, и зеленую окраску листьев. Соединяясь своими корнями или другими органами с тканями хозяина, они получают дополнительное питание. К полупаразитам принадлежат: погремок — сорняк лугов, омела, которая в области своего распространения часто встречается на плодовых деревьях, и многие другие.

Полными паразитами среди цветковых растений являются «петров крест», который присасывается своими корнями к корням ольхи и других деревьев, и повилика, произрастающая на многих полевых растениях, и ряд других. Они утратили способность питаться самостоятельно, в связи с этим их листья редуцированы до небольших чешуек и совсем бесцветны.

Биоценоз

В более или менее однородных условиях среды обычно обитают определенные группы животных и растений. Между организмами этих групп и окружающими их условиями складываются в процессе эволюции соответствующие взаимоотношения. Такие сообщества растений и животных носят название биоценоза (от лат. слова био — жизнь, койнос — общий). Примером биоценоза может служить однородный участок луга, леса, степи, поля и т. д. с населяющими его животными и растениями.

В зависимости от условий биоценозы могут быть с большим числом видов живых организмов и сравнительно бедными по видовому составу. Менее всего развита жизнь в пустынях, в Арктике. На примере такого биоценоза проследим его возникновение.

Бугристые пески в пустыне Каракум заселены очень малым числом видов растений и животных. Барханные пески совершенно лишены жизни. Здесь первым появляется злак «аристида», который обладает рядом приспособлений, позволяющих ему селиться на подвижных песках. Аристида служит пищей некоторым насекомым, появление которых в свою очередь привлекает немногих ящериц. Аристида несколько скрепляет подвижные пески и дает возможность поселиться на них другим растениям, в первую очередь песчаной осоке. За осокой поселяется саксаул, каллигонум и другие растения, обладающие специфическими приспособлениями к этим условиям. За появлением более обильной и разнообразной растительности следуют связанные с ними насекомые; за насекомыми — ящерицы, насекомоядные птицы; за песчанками и сусликами появляются хищники и т. д. Каждый из этих видов животных, помимо того, что находит здесь пищу, должен быть так или иначе приспособлен к жизни в данных условиях.

Представление о биоценозах придает стройность нашему пониманию живой природы. Растительный и животный мир определенной местности оказывается разбитым на обособленные друг от друга отдельности, живущие в известной мере «своим хозяйством». Как видим из приведенного примера, члены биоценоза, находясь в прямой или косвенной зависимости друг от друга, образуют систему взаимоотношений, в которой изменения, касающиеся числа или благополучия одних членов, вызывают соответственные изменения в жизни других членов.

Циклы питания в пресноводном пруду: 1) минеральные и органические вещества в воде и грунте; 2) производители органических веществ — растения и микроскопические водоросли. Потребители: 3) различные рачки и другие беспозвоночные, питающиеся растительной пищей; 4) жуки и плотоядные рыбы; 5) хищные рыбы; 6) бактерии и грибы, разрушающие органические соединения до минеральных веществ.

Состав биоценоза, исторически складывающийся в процессе естественного отбора, обладает значительной устойчивостью и вместе с тем находится в постоянном развитии. Так, например, биоценоз пруда по мере его зарастания изменяется и переходит в биоценоз болота, который в свою очередь проходит дальнейшие стадии развития при осушении болота и превращении его в луг.

Хотя в состав природных биоценозов входят как растения, так и животные, нередко в связи с раздельными зоологическими и ботаническими исследованиями говорят о фитоценозе, или совокупности растений, и зооценозе, как совокупности животных определенного биоценоза.

Отношения между различными живыми существами в биоценозе складываются прежде всего на основе пищевых связей. Проследим эти связи между различными группами живых организмов хотя бы на примере пресноводного пруда.

В прудах и других водоемах производителями органических веществ служат крупные водные растения и микроскопически малые, взвешенные в воде водоросли, входящие в состав фитопланктона. Растения доставляют пищу животным, то есть организмам-потребителям. Фитопланктоном преимущественно питаются мелкие, обитающие в толще воды животные (рачки, коловоротки), составляющие зоопланктон, В свою очередь зоопланктон служит пищей более крупным водным животным, в том числе рыбам, которых, следовательно, можно отнести к вторичным потребителям. Остатки отмерших, разлагаемых бактериями водных растений идут на пищу донным животным, служащим, как и зоопланктон, кормом для рыб. Большую роль в пруду играют организмы-разрушители, главным образом бактерии и другие микроорганизмы. Питаясь мертвым органическим веществом, они разлагают его в процессе своего обмена до минеральных веществ, которые, как и минеральные продукты обмена животных, вновь используются растениями. Таким образом на основе пищевых взаимоотношений в водоеме идет круговорот веществ.

А вот как складываются пищевые цепи в относительно простом биоценозе пустыни. В Бет-Пак-Дале много луковичных (тюльпанов). Ими питаются бесчисленные тушканчики и слепушонки, последними питаются совы и лисицы. Здесь, как видим, создается трехчленная пищевая цепь.

В оазисах пищевые отношения сложней. Здесь утки и кулики кормятся на водоемах; мелкие птицы, питающиеся насекомыми, служат добычей совам; песчанки и тушканчики, живущие за счет растительности, — также добыча сов, филинов, лисиц, возможно, и волков; зайцами, связанными с растительностью оазиса, питаются волки и филины; насекомоядный еж уничтожается совами и лисицами.

Изучение циклов питания имеет огромное практическое значение, так как на нем базируются мероприятия в области рыбного и охотничьего хозяйства, борьбы с вредителями сельского хозяйства, охраны природы и т. д. Так, одним из применяемых на практике приемов повышения выхода рыбной продукции с гектара прудовой площади служат минеральные удобрения. В прудах, удобренных минеральными соединениями фосфора и азота, которыми питаются водоросли, создаются условия для более сильного развития фитопланктона. Это содействует развитию питающихся фитопланктоном организмов, которыми кормятся рыбы, и в конечном итоге повышается рыбопродуктивность пруда. Здесь мы видим пример воздействия на первые звенья пищевой цепи, рассчитанного на получение большего количества рыбы, то есть последнего звена пищевой цепи рыбоводного пруда.

Большую роль в ограничении численности отдельных видов животных, помимо наличия кормов, как уже было сказано, играют хищники. Часто уничтожение хищников приводило к чрезмерному размножению растительноядных животных и к оскудению пастбищ. Примером такого неразумного вмешательства человека может служить Байбабское плато в Южной Америке, где в 1907 году было около 4000 тысяч оленей и большое количество хищников. Олени были взяты под защиту путем уничтожения хищников, что привело к колоссальному увеличению численности оленей. К 1925 году количество оленей достигло 100 000 голов. Олени поедали все, что находилось в пределах досягаемости: траву, сеянцы деревьев и кустарников, — причиняя непоправимый вред растительности. В зимний период пищи не хватало, и в течение двух последующих зим множество оленей погибло от голода. В конце концов поголовье оленей сократилось до 10 000 особей. Таким образом, первоначальные взаимоотношения между хищником и жертвой поддерживали довольно устойчивое состояние, при котором число оленей соответствовало наличным запасам пищи.

Одним из важных путей реконструкции живой природы, повышения урожайности сельскохозяйственных культур является биологический метод борьбы с вредными животными и растениями. О сущности биологического метода борьбы с вредителями сельского хозяйства дают представление следующие примеры.

Еще в 1787 году в Южную Австралию были завезены кактусы опунции. К 1920 году они заняли 60 миллионов акров лучших пастбищных земель. На каждом акре кактусы давали 500–800 тонн зеленой массы. К 1925 году для уничтожения кактусов из Аргентины была завезена кактусовая моль, которая питается только кактусами и при их отсутствии погибает. Найдя почти неограниченные запасы пищи, кактобласты быстро размножились и начали пожирать опунции с неимоверной энергией. В 1933 году все опунции были уничтожены. Несметные полчища кактобластов распространились почти по всей Южной Австралии, но, не найдя более кактусов, вымерли. Затраты на биологическую борьбу с опунциями составили всего 500 тысяч долларов. А химическая борьба или вырубка кактусов обошлась бы не менее чем в 2 миллиарда долларов.

Биологический метод борьбы с сельскохозяйственными вредителями получил широкое применение и в нашей стране. Зачастую он более эффективен, чем химический. Сущность его заключается в разведении или привлечении на поля, в водоемы, сады, леса и полезащитные лесные полосы животных, которые способны оказывать существенное влияние на численность вредных видов. Для этой цели используются местные животные, а также виды, завезенные из других областей или стран.

В последнее время в нашей стране широкую известность получил яйцеед трихограмма. Это крохотное насекомое (длиной около 0,5 мм) из яйцеедов, принадлежащих к перепончатокрылым. Личинка трихограммы может развиваться в яйцах свыше 80 видов бабочек, в том числе и таких вредных, как хлопковая и озимая совки, луговой мотылек, капустная моль. В настоящее время трихограмму разводят во многих лабораториях и выпускают на поля десятками и сотнями тысяч экземпляров во время массовой кладки яиц вредителем, против которого ее используют.

Таких вредителей сельскохозяйственных культур, как клоп-черепашка, свекловичный долгоносик, уничтожают куры. Одна курица за день съедает до 1500 клопов.

Божья коровка истребляет массу тлей и червецов. Один жучок поедает за день до 200 тлей. Истребляют вредителей сельскохозяйственных культур и жабы-чесночницы, ящерицы, неядовитые змеи и другие животные.

Большое значение имеют мероприятия по активному привлечению в лесные насаждения, поля и сады насекомоядных и хищных птиц. Поднятие их численности является одним из эффективных биологических методов борьбы с вредителями. Оно осуществляется различными способами: путем создания искусственных и охраны естественных укрытий и гнезд, мест для зимовки и т. д. Птицы, обладая большой подвижностью и прожорливостью, способны быстро обнаруживать очаги вредителей и своевременно концентрироваться на них. Поэтому они могут значительно ограничить прирост численности насекомых и грызунов, вредных для сельского и лесного хозяйства.

Приведем несколько примеров. Длиннохвостая синица, питающаяся мелкими насекомыми, их личинками и яйцами, обследует в течение часа около 1000 ветвей. Мухоловка-пеструшка за «рабочий день» приносит пищу птенцам до 500 раз. В одном комке пищи, принесенном для птенцов белобрюхим стрижом, насчитывали до 700 мелких насекомых. В желудке кукушки находили до 200 гусениц. Грач уничтожает в год много тысяч проволочных червей. Пустельга ежедневно съедает до 9 мышей и полевок, ушастая сова — 12, сарыч — 14, чайка-хохотунья — 15.

Полезность работы наших крылатых помощников будет особенно очевидной, если укажем, что одна полевка уничтожает в год около двух килограммов зерна.

Различные виды живых существ в природе живут как единый, четко слаженный механизм. Эта замечательная особенность обращала на себя внимание человека с древних времен, и ее назвали гармонией в природе. Служители церквей, а также религиозно мыслящие ученые и философы гармонию в природе стали выдавать за доказательство существования бога. Ч. Дарвин своей теорией естественного отбора опроверг религиозные взгляды и доказал, что тесная связь и взаимообусловленность живых организмов выработалась в процессе длительной эволюции.

Основой взаимоотношений различных организмов являются пищевые связи. Одни виды живых организмов существуют только за счет других. В природе существует непреложный закон: чем те или иные виды больше истребляются, тем они сильнее размножаются. И если по каким-либо причинам нарушается любая цепь динамической взаимосвязи и закон размножения выходит из-под контроля, наступает буквально катастрофа, которая может охватить иногда даже целые континенты. Примеров, подтверждающих это наблюдение ученых, множество, но довольно и тех, что приведены в данной брошюре, чтобы убедиться, что вмешиваться в жизнь природы нужно очень осторожно. Знание законов природы, разумное их использование помогают людям направленно изменять и улучшать животный и растительный мир нашей планеты.

Заключение

Итак, жизнь как биологическое явление для науки уже не загадка. Современные ученые разобрались во всех свойствах, которые отличают живую природу. Какие же это свойства? Прежде всего, в основе всех явлений жизни лежит обмен веществ. В процессе ассимиляции живые организмы запасают энергию в потенциальных химических связях в молекулах органических веществ. При диссимиляции «законсервированная» в белках, жирах и углеводах химическая энергия освобождается в виде аденозинтрифосфорных кислот (АТФ). Окисление органических веществ и освобождение энергии, а также использование этой энергии происходят в каждой клетке живого организма. Освобожденная при окислении энергия является той материальной основой, которая характеризует сущность жизни и ее проявления. Энергия клетки используется на синтез биологических молекул (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и их производных), на деление клеток, за счет чего происходят рост, развитие и размножение организмов, на саморегулирование и взаимосвязь организмов со средой их обитания. Короче говоря, биоэнергетические процессы — это та материальная «душа», которая обеспечивает жизнь и ее проявления. Никакой другой, нематериальной, сверхъестественной силы в живом организме нет и быть не может.

Таким образом, материалистическая наука окончательно и навсегда опровергла идеалистические и религиозные домыслы о «душе», «жизненной силе» и т. п.

Мы рассказали здесь читателям о том, что есть жизнь и каковы ее проявления. Для объяснения мы взяли жизнь в современном ее состоянии. И совершенно законным будет вопрос читателя о том, как же она начиналась у нас на Земле. Проблема эта чрезвычайно интересна, да и споры вокруг нее ведутся уже не одну сотню лет. Библия, например, утверждает, что все живые существа, населяющие нашу планету, в том числе и человек, были созданы богом за шесть дней. Однако к настоящему времени ученые узнали так много и об этом сложнейшем явлении, что детская наивность этого библейского мифа стала очевидной для каждого непредвзято мыслящего человека. За последнее десятилетие наука получила много интересных данных и об условиях жизни на других планетах Солнечной системы.

В следующей брошюре мы расскажем читателям обо всем том, что знает сегодня наука о происхождении и развитии всего живого на Земле.

Рекомендуем прочитать

Мансуров Н. С. О живом и неживом. X серия. Естествознание и религия. М., 1966.

Рубин Б. А. Энергетика зеленого растения. VIII серия. Биология и медицина. М., 1962.

Овчаров К. Е. Витамины в растениях. VIII серия. Биология и медицина. М., 1962.

Бернштейн А. Д. Живое движение. VIII серия. Биология и медицина. М., 1962.

Гаврилов В. Ф. Работа корня. VIII серия. Биология и медицина. М., 1963.

Кондратьева И. Н., Кондратьев Е. Н. Загадки нейрона. VIII серия. Биология и медицина. М., 1966.

Примечания

1

Ученые, которые считают, что в основе жизни находится сверхъестественное начало — «жизненная сила» (от греч. слова вита — жизнь).

(обратно)

2

Многие растения, не содержащие хлорофилл (как, например, грибы), а также почти все одноклеточные организмы и бактерии для питания используют, как и животные, готовые органические вещества.

(обратно)

3

И. П. Павлов. Полное собрание сочинений, т. 11, кн. 2, стр. 274.

(обратно)

Оглавление

Живая природа

Как «кормятся» растения?

Как питаются животные?

Еще один способ питания

Окисление органических веществ — основа жизни

Организм и среда

Границы жизни

Взаимоотношения организмов между собой

Биоценоз

Заключение

Рекомендуем прочитать Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg