Так начинается стихотворение Семена Надсона «Жизнь». Поэтам легко описывать что-либо – бери слова, да складывай их в рифму. Можно сказать, что «жизнь – это серафим и пьяная вакханка» или что «жизнь – это океан и тесная тюрьма» (это все из того же стихотворения). А вот попробуйте-ка вы дать научное определение жизни, такое, чтобы оно подходило ко всему живому и отражало основные свойства определяемого предмета. Только, пожалуйста, отнеситесь к задаче серьезно. Никаких «я люблю – и, значит, я живу» или «есть только миг между прошлым и будущим, именно он называется жизнь». Нужны не красивые фразы, а научное определение, при помощи которого можно было бы отличать живое от неживого.

Те, кому захотелось придумать определение, сейчас делают паузу для размышления, а те, кому ничего придумывать не хочется, могут читать дальше.

Великий греческий ученый Аристотель, живший в IV веке до нашей эры, давал называл жизнью «всякое питание, рост и упадок тела, имеющие основания в нем самом». Иначе говоря, живым Аристотель считал то, что питалось, росло и умирало. Как вам такое определение? Надо сказать, что оно довольно неплохое, особенно для того времени.

Одной из основных биологических теорий является клеточная теория, которая рассматривает клетку как единый структурный элемент всех живых организмов. Эта теория была создана в 1839 году немецкими учеными Матиасом Шлейденом и Теодором Шванном. Первоначально она включала в себя три положения:

1. Все животные и растения состоят из клеток.

2. Растения и животные растут и развиваются путем возникновения новых клеток.

3. Клетка является самой маленькой единицей живого, а целый организм представляет собой это совокупность клеток.

Вообще-то клетки были открыты в 1665 году английским естествоиспытателем Робертом Гуком, который обнаружил упорядоченно расположенные пустоты при изучении тонких срезов коры пробкового дерева. Именно Гук и придумал название «клетка». Несколькими годами позднее итальянец Марчелло Мальпиги и англичанин Неемия Грю независимо друг от друга описали в разных органах растений «мешочки» или «пузырьки». Вывод о клеточном строении растений напрашивался сам собой, но увеличительные приборы того времени были примитивными и не давали возможности хорошо разглядеть клетки, поэтому их сочли пустотами в растительных тканях. Известный голландский натуралист и конструктор микроскопов Антони ван Левенгук, рассматривавший в свои микроскопы растительные клетки, клетки крови, инфузории и бактерии, не нашел единства между ними. Мог создать клеточную теорию немецкий ученый Каспар Фридрих Вольф, опубликовавший в 1759 году трактат «Теория зарождения», но вместо вывода о том, что все живое развивается из клеток и из них же состоит, Вольф говорил о некоей первоначально однородной субстанции, в которой вследствие движения соков образуются сосуды и «пузырьки».

Вопрос о том, откуда на нашей планете взялась жизнь, волновал человечество с древнейших времен, но первую стройную научную теорию происхождения жизни на Земле предложил в 1923 году советский биолог Александр Опарин.

Место и время рождения этой теории, которая получила название теории биохимической эволюции или теории абиогенного синтеза, хотя на деле являлась гипотезой, были неслучайными. Советское правительство, активно пропагандировавшее атеизм, остро нуждалось в научном объяснении появления жизни на нашей планете. И дать такое объяснение должен был ученый нового социалистического времени, свободный от буржуазно-религиозных предрассудков. Опарин, окончивший естественное отделение физико-математического факультета МГУ в революционном 1917 году идеально подходил под это требование. Впоследствии идеи Опарина получили развитие в трудах английского ученого Джона Холдейна и потому теорию Опарина часто называют теорией Опарина-Холдейна.

Опарин считал, что живая материя зародилась в недрах неживой. Собственно, ничего другого и нельзя было предположить. Если отринуть идею Высшей силы, сотворившей все живое, то неизбежно придешь к тому, что живое произошло от неживого.

Невероятно?

Антон Павлович Чехов считал, что призвание каждого человека заключается в духовной деятельности – в постоянном искании правды и смысла жизни.

С философской точки зрения смысл жизни – очень глубокая тема, которой в той или иной степени занимались все великие философы. И каждый давал свое понимание смысла жизни. Древнегреческий философ Эпикур провозгласил целью жизни получение удовольствия, а австрийский философ Людвиг Витгенштейн вообще отрицал наличие у жизни некоего глобального смысла.

Но давайте оставим философию философам и порадуемся за биологов, у которых с определением смысла жизни дело обстоит предельно просто. Биологический смысл жизни любого организма состоит в размножении. Дожить до половозрелого возраста и дать потомство (как можно больше потомства) – вот к чему стремится все живое.

Клетки живых организмов постоянно делятся, одноклеточные организмы постоянно размножаются, а в многоклеточных организмах вместо отмирающих старых клеток появляются новые. За жизнь человека в его организме осуществляется примерно 10¹⁴ делений клеток. Сто тысяч миллиардов делений! Впечатляющая цифра, не так ли?

Любой живой организм представляет собой биологическую систему. Так называют структурную единицу живой материи, состоящую из разных элементов. Человек, кошка, дерево, бактерия – все это биологические системы или, сокращенно, биосистемы.

Все живое на нашей планете представляет собой совокупность биологических систем различной степени сложности, которые объединены в единую иерархическую структуру. Обратите внимание на слово «иерархическую» – более простые биосистемы при своем объединении образуют более сложные. Не только отдельные живые организмы являются биосистемами. Понятие «структурная единица живой материи» гораздо шире и включает в себя совокупности живых организмов.

Знаете старую купеческую поговорку – «тысяча рублей – это не деньги, а капитал»? Имеется в виду, что крупная сумма денег представляет собой не только средство оплаты, но и «инструмент» для создания какого-то дела. Объединяясь, деньги становятся капиталом, приобретают ранее несвойственное им качество. Количество переходит в качество. К месту можно вспомнить и притчу про отца, сыновей и веник. По отдельности прутики легко ломаются, но если собрать их вместе, то сломать не получится.

Мы с вами нарушили иерархический порядок, начав знакомство с уровнями организации жизни с клетки, а не с молекул. Но так было удобнее, потому что именно с клетки начинается жизнь, та самая настоящая полноценная жизнь, а не вирусное или прионное существование.

А теперь вас ждет увлекательное знакомство со строительными материалами, из которых сделаны клетки.

Молекулярно-генетический уровень организации – это базовая основа жизни. Все, что происходит в живом организме, все биологические процессы, все эмоции и все мысли являются результатами реакций между различными молекулами и каждый организм состоит из молекул органических и неорганических веществ. Жизнь на молекулярно-генетическом уровне изучает наука, которая называется молекулярной биологией. Молекулярная биология тесно связана с биохимией и генетикой.

Главная особенность молекулярно-генетического уровня организации жизни заключается в том, что на этом уровне осуществляется важнейший жизненный процесс – превращение энергии солнечных лучей в энергию химическую, которая сохраняется в химических связях органических веществ и в таком виде может использоваться живыми организмами. Большинство живых организмов на нашей планете прямо или опосредованно питают солнечные лучи. Солнечная энергия усваивается растениями. Растения поедают травоядные животные, которыми, в свою очередь, питаются хищники. А после смерти все живое становится пищей для сапрофитов – растений, грибов и бактерий, питающиеся органическим веществом умерших организмов.

На молекулярном уровне вы всегда очень заняты. Впрочем, и на клеточном тоже, потому что эти уровни неразрывно связаны между собой. Даже если вам кажется, что вы отдыхаете, ваш организм работает, работает, работает… Вещества синтезируются и распадаются, энергия выделяется и поглощается. Жизнедеятельность организма – это непрерывный обмен веществ и энергии. Для простоты обычно говорят «обмен веществ», без постоянного упоминания об обмене энергии, но надо понимать, что оба этих процесса неразрывно связаны между собой и одно без другого существовать не может.

По-научному совокупность обменных процессов организма называется метаболизмом.

К слову – о птичках. Люди почему-то думают, что метаболизм у каждого свой, особый, индивидуальный. Часто можно услышать фразы вроде: «у меня такой обмен веществ, что я даже во время голодания прибавляю в весе» или «у него такой метаболизм, что он может есть все, что угодно, и оставаться при этом худым». На самом же деле (и простите автору, что он сейчас кого-то расстроит) у здоровых людей метаболические процессы протекают совершенно одинаково, как и положено им протекать у представителей одного биологического вида. Метаболизм нарушается только при некоторых заболеваниях. Что же касается «есть все, что угодно, и оставаться при этом худым», то причиной этого может плохое всасывание питательных веществ в кишечнике или же, к примеру, наличие какого-то заболевания, о котором сам человек не имеет понятия. Ну а если кто-то прибавляет в весе во время голодания, то тут уж одно из двух – или голодание фиктивное, или весы испорчены. На фоне полного отсутствия пищи организм не может откладывать жир про запас, потому что не из чего создавать запасы. Наоборот, жировые запасы будут тратиться.

Что такое организм?

Можете дать свое собственное определение прежде, чем читать дальше.

Академик Владимир Иванович Вернадский характеризовал организм как «биохимическую отдельность живого вещества биосферы». Другой академик – Иван Петрович Павлов, выражался иначе: «организм – это в высочайшей степени саморегулирующаяся, сама себя поддерживающая, восстанавливающая, поправляющая и совершенствующая система».

Более четкая формулировка звучит так: «Организм – это отдельная (или – дискретная) единая биосистема, состоящая из различных органов и тканей, которые взаимодействуют между собой и с внешней средой».

А можно сказать и проще: «организм – это биологический объект, возникший в результате эволюции жизни на нашей планете».

Все живое представлено в природе в виде организмов.

Организм – это биологическая система открытого типа, то есть система, взаимодействующая с окружающей средой.

«Самые прекрасные виды обладают лишь той красотой, которой мы их наделяем», сказал французский писатель Оноре де Бальзак. И правильно сказал, потому что все так и есть. Одними биологическими видами мы традиционно восхищаемся, а другие вызывают у нас отвращение. Пантеру или кошку мы считаем красивыми, грациозными, изящными, а вот крыса какая-то не такая, верно? А ведь если вдуматься и вглядеться, то между кошкой и крысой разницы мало. И та, и другая – хвостатые четвероногие животные, покрытые шерстью, разве что кошка покрупнее, но ведь любят не за размер, а за душевные качества…

Впрочем, давайте оставим лирику в покое и вернемся к нашей драгоценной биологии, науке наук и основе основ. В этой главе речь пойдет о биологических видах и популяциях, на которые подразделяются эти виды по местам своего обитания.

Биологический вид – это основная структурная единица биологической систематики живых организмов. Все живое на планете разбито на виды. Мы с вами относимся к биологическому виду Человек разумный (Homo sapiens) из рода Люди (Homo), который входит в семейство гоминид из отряда приматов класса млекопитающих.

Понятие вида – это фундамент на котором стоит наука биология.

Возникновение жизни – это самая древняя научная проблема. Как только люди научились думать, они сразу же задумались о том, откуда все произошло.

Логика (а больше никаких инструментов у древних ученых не было) предлагала два объяснения. Согласно первому жизнь появилась сама по себе, а второе утверждало, что все живое и вообще все сущее создано высшей волей.

Иной раз можно ткнуть пальцем наугад и попасть в нужную кнопку на пульте. Древнегреческий философ и математик Фалес Милетский, считающийся основоположником философии и всей науки в целом, совершенно правильно предположил, что жизнь зародилась в воде. Но другие древние ученые с этим не согласились. Так, например, Анаксагор из Клазомен утверждал, что жизнь зародилась из воздуха, точнее – из некоего мирового эфира, а Демокрит Абдерский считал, что живое появляется из разных источников, например, мухи заводятся в гнилом мясе, а черви – в иле. Кстати говоря, по его версии люди тоже произошли из ила.

Суть гипотезы Черной королевы заключается в том, что для того, чтобы остаться на том же месте, приходится бежать со всех ног, для того, чтобы сохранять свою приспособленность на постоянном уровне, видам приходится активно эволюционировать. Кто остановится, того безжалостная природа сразу же снимает с дистанции и отправляет в небытие.

О гипотезе Черной королевы написано много и большинство того, что написано, слишком сложно для понимания человека, не разбирающегося в тонкостях биологии, нюансах статистики и хитросплетениях эволюции. Мозг начинает плавиться, внимание рассеивается, доводы путаются, а ночью может присниться Черная королева, которая на кровать садится и спать не дает всю ночь.

Мы разберемся с Черной королевой по-простому, без традиционного английского тумана и прочих заморочек.

Суть вы уже уяснили – тот, кто развивается, остается на своем месте в эволюционной гонке. Теперь надо уяснить смысл этой сути.

Как вы уже знаете, все живое на нашей планете может размножаться двумя путями – половым и бесполым. Бесполое размножение в целом выгоднее полового.

С древнейших времен человечество пыталось понять, как именно осуществляется процесс передачи признаков от родителей к детям. Инструмент для установления истины был всего один – логические рассуждения. Разумеется, додуматься до ДНК, хромосом и генов не могли даже лучшие умы. Все рассуждения в конечном итоге сводились к некоей «оплодотворяющей субстанции» (слова, слова и только слова!), непонятному продукту, который образуется непонятно где.

Поставьте себя на место древних ученых, заблокируйте в своем сознании все, что вам известно о генах, и попробуйте объяснить, почему дети одной женщины, рожденные от разных отцов, имеют мало сходства друг с другом, и довольно много – с отцами. Причем сходство это «многолико» – оно проявляется и в телосложении, и в цвете волос, и в чертах лица, и в голосах… А если ребенок в чем-то не похож на отца, то, скорее всего, он в этом будет похож на мать. Вот как передается такое сходство?

К слову будь сказано, что проблема наследования признаков имела не только познавательное, но и прикладное значение, начиная с установления отцовства в спорных случаях и заканчивая выведением новых пород животных.

Подумайте хорошенько. Только помните – никаких генов с хромосомами в вашем объяснении быть не должно!

Мутацией называется стойкое изменение генома, приводящее к изменению наследственной информации. Слово «стойкое» означает, что это изменение может передаваться потомкам.

Название «мутация» произошло от латинского слова «мутацио» означающего «изменение», а это слово, в свою очередь, образовано от глагола «муто» – «изменять» или «превращать». Помните волшебное заклинание «мутабор», превращающее людей в животных и обратно из сказки Вильгельма Гауфа «Калиф-аист»? «Мутабор» означает «я изменяюсь».

Научное определение мутации звучит следующим образом: «мутация представляет собой внезапное качественное изменение структуры ДНК в одном локусе (генная мутация) или изменение числа или микроструктуры хромосом (хромосомная мутация)». Мутация может затрагивать отдельный ген или же хромосому, участок молекулы ДНК или всю молекулу.

Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом, фактор, вызывающий мутацию, называется мутагеном, а организм, изменивший свой фенотип в результате мутации, называется мутантом. Различают естественные, самопроизвольно возникшие мутации, и индуцированные, вызванные искусственно при помощи каких-либо мутагенов. Принципиальной разницы между спонтанными и индуцированными мутациями нет, суть процесса одна и та же – изменение генов и хромосом.

С научной точки зрения полом называется совокупность признаков и свойств организма, обеспечивающая его участие в воспроизводстве потомства и передаче наследственной информации за счет образования половых клеток. В животном мире, к которому мы с вами имеем честь принадлежать, преобладает раздельнополость особей – существуют самцы и самки, два типа организмов, четко различающихся в половом отношении. Причем эти различия касаются не только половых органов, а всего организма в целом. Самцы и самки различаются по конституции (внешнему виду), по обмену веществ, по поведению и т. п.

В растительном мире напротив, преобладает гермафродитизм – одновременное или последовательное наличие у организма мужских и женских половых признаков, а также мужских и женских репродуктивных органов. Среди животных гермафродитизм в норме встречается редко, например – у некоторых видов червей, моллюсков, ракообразных.

В природе существует три основных механизма определения пола у потомков (да, представьте, целых три!).

Первый вариант – определение пола до оплодотворения, то есть без какой-либо связи с оплодотворением наблюдается у тлей, некоторых кольчатых червей рода и ряда других организмов. В процессе созревания яйцеклеток в результате неравномерного распределения цитоплазмы образуется два типа яйцеклеток – крупные, из которых после оплодотворения развиваются самки, и мелкие, из которых развиваются самцы. Половых хромосом у этих видов нет. Пол определяется числом гаплоидных наборов хромосом. У самок хромосом больше, чем у самцов.

Мутагенез, о котором говорилось в тринадцатой главе, можно сравнить с игрой в кости. Природа раз за разом делает броски, которые оказываются удачными или неудачными. Примечательно то, что броски делает природа, а выигрывают или проигрывают в этой игре живые организмы. Особь, получившая удачную приспособительную комбинацию, вырывается вперед – долго живет и оставляет большое потомство, а неудачная комбинация приводит к скорой гибели.

Впрочем, может случиться и так, что неудачное вдруг окажется удачным. Например, у одного пернатого самца в результате мутации появилась яркая окраска оперения, которая сделала его хорошо заметным для хищников. Признак явно неблагоприятный, уменьшающий шансы на выживание. Редко какое животное может позволить себе яркую окраску. Даже хищникам нужно маскироваться для того, чтобы незаметно подкрасться к жертве или же подстеречь ее в засаде. Посмотрите на льва, прозванного царем зверей за свой звучный голос (но не за суперсилу). Окраска льва желто-серая, «саванная» с различными оттенками. На фоне желтой земли его не сразу и заметишь. А у тигра, который физически сильнее льва и по праву сильного должен называться царем, ржаво-коричневая окраска «разбавлена» темными полосами, создающими отличный маскирующий эффект.

Но яркая окраска может оказаться привлекательной для самок, которые станут предпочитать этого самца остальным и в результате он оставит больше потомства. Получается своеобразный гамбит (если кто не в курсе, то так называется шахматный дебют, в котором одна сторона из стратегических соображений жертвует противнику пешку или легкую фигуру). Самец с яркой окраской рискует стать добычей хищника сильнее других самцов, но зато он оплодотворяет больше самок и оставляет больше потомства. Посмотрите на то, как распространена яркая окраска среди самцов разных видов птиц и вы поймете, что определенный эволюционный смысл в этих гамбитах есть.

«Садоводство – дело целого народа, оно является после полеводства одним из самых полезных для здоровья народонаселения занятий и самым продуктивным в смысле доходности, не говоря уже об облагораживающем и смягчающем влиянии его на характер человека», считал знаменитый ученый-садовод Иван Владимирович Мичурин и был тысячу раз прав. Селекция (ведь именно в ней и заключается сущность садоводства), как и любое доброе дело, облагораживает того, кто его творит и смягчает характер. Вместо того, чтобы испытывать негативные эмоции по поводу несовершенства окружающего мира и ожесточаться, селекционеры пытаются немного улучшить этот несовершенный мир при помощи результатов своего труда. Чем ожесточаться, лучше новый сорт орхидей вывести или, скажем, новую породу лошадей.

Кстати, а что еще могут выводить селекционеры, кроме пород животных или сортов растений?

Штаммы микроорганизмов! Селекция микробов в наше время имеет не менее важное значение, чем селекция растений и животных.

«Селекция» переводится с латыни как «отбор». Суть любой селекции заключается в искусственном отборе особей для последующего размножения. В былые времена, до появления генетики, селекцию проводили интуитивно – скрещивали особей, имевших хорошо выраженные полезные качества. Чаще всего отбор проводился в течение длительного времени, во многих поколениях, но иногда людям везло – с животными или растениями происходила какая-то полезная мутация, которую оставалось только закрепить в потомстве. Типичным и часто приводящимся в научной литературе примером использования полезной мутации является выведение породы.