БОРЬБА УЧЕНЫХ УМОВ ВОКРУГ ЭВОЛЮЦИИ

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Без сомнения, «Происхождение видов» стала наиболее важной книгой в истории биологии. Множество ветвей науки вдруг стали вновь актуальными и исполненными значения с точки зрения эволюции путем естественного отбора. Концепция сделала рациональными все собранные данные по таксономии, эмбриологии, сравнительной анатомии, палеонтологии. Биология в целом стала не просто собранием фактов; она стала организованной наукой, базирующейся на широкой и очень полезной теории.

Однако приняли труд и концепцию Дарвина не все, и не все принявшие — сразу. Особенно много обвинений посыпалось со стороны почитателей буквы и слова Библии - было невозможно принять сразу, что мир и человечество созданы не Богом. Даже среди людей нерелигиозных появилось немало противников предположения, что все сущее — результат слепого и неодухотворенного случая.

Английский зоолог Ричард Оуэн (1804 — 1892), лидер оппозиции, был одновременно последователем Кювье в его науке восстановления вымерших животных по ископаемым останкам. Он сопротивлялся не просто концепции эволюции, но мысли, что избранные живут на планете по воле случая. Он считал, что должна быть какая-то внутренняя воля Природы.

Обычно Дарвин сам не отстаивал своих теорий. Однако английский биолог Томас Генри Гексли (1825— 1895) взял на себя роль его защитника. Гексли, кроме того, что был блестящим популяризатором науки, наводил ужас на противников своим талантом оратора. Он сам себя именовал «дарвиновским бульдогом».

Поначалу дарвинизм не был принят во Франции, однако Германия в целом восприняла идеи ученого. Немецкий натуралист Эрнст Генрих Геккель (1834-1919) был сторонником Дарвина. Он увидел в развивающемся эмбрионе виртуальную сжатую модель эволюции. К примеру, млекопитающие начинают Жизнь в виде единственной клетки, как и простейшие, затем развиваются в двуслойные организмы, подобные медузе, затем уже — в трехслойные, как какой-нибудь примитивный червь. В ходе последующего развития эмбрион млекопитающего вырабатывает, а затем теряет хорду, потом приобретает и теряет структуры, характерные для рыб. С этой точки зрения Геккель имел оппонента в лице эмбриолога Байера, который пришел к тем же выводам, но не принял дарвинизма. Современные биологи также не принимают выводы и концепцию Геккеля как единственно верную картину хода эволюции.

Американский ботаник Аса Грей (1810 — 1888) стал наиболее активным защитником дарвинизма в Америке. Религиозный проповедник, он не мог быть обвинен в атеизме, тем самым его аргументация приобретала дополнительную силу. Его оппонентом в Америке стал натуралист Жан-Луи Родольф Агассис. Агассис заслужил научную репутацию изучением ископаемых рыб, но больше всего популярности ему принесла концепция прохождения в давно минувшие времена ледников в регионах, где никто из современников их увидеть не мог. Агассис не принял дарвинизма в своем пиетете перед Природой.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА

Самый уязвимый момент в дарвинизме касается человека. Сам Дарвин завуалировал этот момент в своем «Происхождении видов», да и его соавтор, Уэллес, в конце концов пришел к выводу, что человек не подвержен эволюционным процессам. Однако было бы нелогично предполагать, что эволюция коснулась всех видов, кроме человека.

В 1838 г. французский археолог Жак Бушеде Кревекер де Перте (1788-1868) открыл в северной Франции стоянку древнего человека. К тому времени стало возможно определить возраст каменных топоров, найденных на стоянке, и человеческих останков. Таким образом, стало научно очевидно, что не только Земля, но и человек насчитывает в своей истории гораздо более тысяч лет, чем те б тысяч, о которых говорит Библия. Публикация этих данных вызвала фурор. Французские биологи, все еще находившиеся под влиянием уже умершего Кювье, отказались принимать эти изыскания. Английские ученые встали на сторону Буше де Перте.

А четыре года спустя геолог Лаэлл, использовав находки Буше де Перте, опубликовал книгу «Античная история человека», в которой не только поддерживал теорию дарвинизма, но и обосновывал ее применение к человеку. Гексли также написал книгу, взяв за основу эту позицию.

В 1871 г. Дарвин открыто выступил с теорией эволюции человека от млекопитающих, опубликовав вторую книгу — «Происхождение человека». В ней он рассматривал рудиментарные органы человека как доказательства эволюционных изменений. (В человеческом теле имеется целый ряд рудиментарных органов. Аппендикс — это остаточный орган, некогда используемый для запасания пищи. Этому запасу пищи в те времена предназначалось проходить долгую бактериальную обработку. В основании спины у человека имеются четыре косточки, которые были когда-то частью хвоста; имеются также ныне совершенно бесполезные мускулы, предназначавшиеся для движения ушей, и т. д.)

В 1856 г. в Германии, в долине Неандерталь, был раскопан древний человек, вернее, обнаружен его череп. Этот череп, совершенно очевидно, принадлежал примитивному, обезьяноподобному человеку. Обнаружен он был в слое, насчитывавшем много тысяч лет. И сразу же ученый мир потерялся в догадках: был ли то примитивный вид человека, который позже превратился в человека современного, либо обычный дикарь древности, возможно с обезображенным болезнью скелетом и генетической деформацией черепа?

Выдающийся авторитет ученого мира тех лет, немецкий врач Рудольф Биршоу (1821 — 1902), поддержал последнюю версию. В противоположность ему, французский хирург Пол Брока (1824 — 1880), наиболее авторитетный эксперт по структуре черепа того времени, заявил, что ни здоровый, ни одичавший, ни больной человек новой формации не может быть обладателем такого черепа.

Для того чтобы уладить все эти недоумения, требовалась следующая находка: она была бы связующим и до поры недостающим звеном между человеком и человекоподобной обезьяной. Такие недостающие звенья были частыми в биологической науке. К примеру, в 1861 г. Британский музей приобрел ископаемые останки существа, внешне напоминающего птицу, а также отпечатки перьев в камне. У этого существа, однако, были зубы и хвост, как у ящерицы. Это стало ярчайшим доказательством того, что птицы эволюционировали от рептилий.

Однако поиски необходимого звена в происхождении человека не удавались на протяжении ряда десятилетий. Успех пришел к голландскому палеонтологу Мари-Эжен-Франсуа-Томасу Дюбуа (1858—1940). Он был одержим идеей поиска недостающего звена и считал, что искать нужно либо в Африке, где по сей день обитают шимпанзе и гориллы, либо в Юго-Восточной Азии, где обитают гиббоны и орангутаны.

В 1889 г. Дюбуа был призван правительством страны в экспедицию на остров Ява (тогда — голландская колония). В течение нескольких лет он отыскал верхнюю часть черепа, тазовую кость, а также два зуба того, что, вне сомнения, было когда-то примитивным человеком. Череп был больше любого обезьяньего, но меньше черепа современного человека. Зубы также занимали промежуточное положение между зубами человекоподобной обезьяны и человека. Дюбуа, опубликовав в 1894 г. результаты своих исследований, назвал существо, которому принадлежали останки, питекантроп прямоходячий.

Другие подобные находки были сделаны в Китае и Африке, так что отыскалось сразу несколько недостающих звеньев. Теперь аргументы как в пользу эволюции в целом, так и в пользу эволюции человека в частности стили неоспоримы. Безусловные противники теории эволюции остались, пожалуй, только среди религиозных фундаменталистов. В наше время трудно вообразить авторитетного биолога, который являлся бы антиэволюционистом.

«БОКОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ» ЭВОЛЮЦИИ

Если антиэволюционисты были все же не правы, то напрасно впадали в радостный энтузиазм слишком горячие приверженцы теории, которые отыскивали признаки эволюции даже в тех областях, куда она не проникала. Так, английский философ Герберт Спенсер (1820 — 1903), наработавший эволюционистские идеи еще до выхода книги Дарвина, ухватился за эту книгу и взял ее выкладки в доказательство своих рассуждений о человеческом обществе и культуре. Таким образом, он положил начало науке социологии.

Спенсер утверждал, что все общество и культура в целом начинались на весьма примитивном уровне, а затем эволюционировали до современного сложного состояния. Он популяризировал термин «эволюция» (которым Дарвин предпочитал не пользоваться), а также фразу «выживание наиболее приспособленных». Спенсеру представлялось, что все человеческие индивидуумы находятся в постоянной борьбе за выживание и слабейшие погибают в ней. Спенсер счел их гибель неизбежным следствием эволюции и прогресса и выдвинул теорию, что следует «помочь» естественному отсеву среди безработных и прочих неблагополучных представителей общества, а не устраивать для них биржи труда и приюты. Он провозгласил, что благотворительность, милосердие и социальная помощь вредят прогрессу.

Это, однако, мешало популяризации дарвиновской теории, поскольку Спенсер не учел того, что для осуществления эволюции нужен долгий исторический путь. Единственным же путем, который признавал Спенсер, было наследственное принятие приобретенных характеристик (по Ламарку). Он игнорировал тот факт, что, многие члены человеческого общества привязаны к своим больным и неблагополучным собратьям и страстно не хотели бы их потерять. Кроме того, история цивилизации доказывает преимущество гуманного общества над обществом, построенным на взаимоотношениях «хищник —жертва».

И все-таки спенсерианство повлияло на историю и в годы, предшествующие Первой мировой войне, дало карты в руки националистам и милитаристам, ведь любая война оправдана, если она помогает выживанию наиболее приспособленных. К счастью, сейчас эти теории забыты.

Еще одну теорию развил английский антрополог Фрэнсис Гэлтон (1822 — 1911), двоюродный брат Дарвина. Гэлтон в молодые годы посвящал себя метеорологии, но после выхода книги своего знаменитого кузена обратился -1с биологии. Он интересовался вопросами наследственности и первым обратил внимание на важность изучения идентичных (однояйцевых) близнецов. Именно у них настолько одинаковы наследственные признаки, что разница может быть отнесена целиком к влиянию окружающей среды.

Изучая случаи рождения детей с многообещающими задатками, Гэлтон должен был признать, что они наследуются. Он предчувствовал, что таланты и другие желаемые характеристики могут быть заложены при зачатии. В 1883 г. он выдвинул термин евгеника (от греческого «хорошее рождение») для обозначения метода, который выработал.

К сожалению, чем больше собиралось информации о механизме наследования, тем менее уверены были биологи в успехе улучшения расы путем селективного скрещивания (так сказать, искусственно направленной эволюции). Выяснялось, что это крайне сложная материя. В то время как евгеника остается одной из ветвей биологии наследственности, так называемые евгенисты, которые взяли на вооружение ненаучную, расистскую часть теории, время от времени размахивают знаменем превосходящей расы.

Глава 7 ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

ТУПИКОВЫЕ ВОПРОСЫ ДАРВИНИЗМА

Причина ошибочного использования эволюционной теории — природа механизма наследования, который и до сих пор до конца не изучен и тем более не был понят в XIX в. Спенсер ожидал быстрых изменений в человеческом поведении, а Гэлтон воображал, что расу можно улучшить программой селективного наследования из-за частичного биологического невежества.

Непонимание природы механизма наследования было наиболее уязвимым местом дарвиновской теории. Дарвин предполагал, что существуют случайные вариации признаков у наследников любых видов животных и что некоторые вариации, ввиду лучшего приспособления к окружающей среде, в большей степени закрепятся у одних, чем у других. К примеру, юный жираф, родившийся с самой длинной шеей, лучше приспособлен к условиям и первый кандидат на выживание.

Но каким образом закрепится этот признак? Жираф с самой длинной шеей не обязательно найдет партнера со столь же длинной шеей; вполне возможно, что унаследуется короткая шея. Все эксперименты по скрещиванию животных укрепили ученых во мнении, что наследуемые признаки смешиваются в последующих поколениях; поэтому жираф с длинной шеей, скрещенный с жирафом с короткой шеей, даст поколение с шеей средней длины.

Другими словами, все полезные и хорошо подходящие к условиям характеристики усредняются; они сведутся к невыдающемуся среднему уровню в результате случайного скрещивания; естественному отбору не останется поля деятельности — соответственно, эволюционных изменений не произойдет.

Некоторые биологи приводили такие доводы, но без особого успеха. Швейцарский ботаник Карл Вильгельм фон Нагели (1817 — 1891), поборник дарвинизма, предположил, что, для того чтобы эволюция пошла в каком-либо определенном направлении, должен произойти некий внутренний толчок.

Например, лошадь, как показали раскопки, произошла от небольшого существа ростом с собаку и с четырьмя пальцами на каждой конечности. Прошли века, и лошадь выросла в холке, окреп ее скелет, она один за другим теряла пальцы, пока не превратилась в непарнокопытное. Нагели предположил, что какая-то сила толкала лошадь поэтому пути эволюции: она увеличивалась в размерах и шла к однопальцевой конечности, пока не стала бы слишком большой для выживания. Она уже не смогла бы прятаться от врагов и была обречена на вымирание. Эта теория получила название ортогенез, однако не была признана современными биологами.

ГОРОШЕК МЕНДЕЛЯ

Решение проблемы связано с именем австрийского монаха и ботаника-любителя Грегора Иоганна Менделя (1822 — 1884). Мендель увлекался как математикой, так и биологией; соединив оба своих увлечения, он в течение восьми лет, начиная с 1857 г., скрещивал декоративный горошек разных цветов.

Он искусственно опылял растения таким образом, чтобы в случае наследования характеристик они наследовались бы только от одного родителя. Он собирал и хранил семена, произведенные от самоопыленного сорта, затем высевал их отдельно и изучал распределение характеристик в новом поколении.

Он обнаружил, что, если посеять семена от карликового сорта, вырастали только карликовые растения. Семена, произошедшие от этого второго поколения, также давали только карликовые растения. Карликовые растения горошка являлись в¹ данном случае прямыми потомками.

Семена от высокорослых растений не всегда вели себя аналогичным образом. Некоторые высокорослые растения (составлявшие около трети произраставших в его саду) показали себя прямыми потомками, дающими одно за другим высокорослые поколения. Остальные давали разброс характеристик. Некоторые семена от этих высокорослых растений давали высокие растения, а другие — карликовые. Всегда разброс был таковым, что высокорослых было вдвое больше, чем карликовых. Очевидно, что существовало два вида высокорослых растений: прямые потомки и непрямые потомки.

Мендель приближался к истине шаг за шагом. Он скрестил карликовые растения с высокорослыми растениями (истинными потомками) и обнаружил, что каждый полученный в результате гибрид давал высокорослое растение. Итак, признак карликовости исчез.

Затем Мендель добился самоопыления каждого гибридного растения и изучил полученные семена. Все гибридные растения оказались непрямыми потомками. Около одной четверти семян, полученных от них, дали карликовые растения, одна четверть — «прямые» высокие растения, а оставшаяся часть (половина) дала «непрямые» высокие растения.

Мендель объяснил этот разброс тем, что каждое растение несет в своем генотипе два фактора, влияющих на рост как генный признак. Мужская часть генотипа несет один фактор, женская часть — второй. При скрещивании два фактора объединялись и новое поколение давало пару (по одному от каждого родителя, если они получены от скрещивания этих двух родителей).

Схема распределения признаков наследственности в высоких и карликовых растениях:

1 - результат скрещивания истинных высоких растений с карликовыми, дающий гибриды либо неистинные высокие растения;

2 -- распределение признаков между истинными высокими, карликовыми, гибридно-высокими потомками в пропорции 1: 1: 2.

В - высокие; к - карликовые; Вк - гибридно-высокие

Карликовые растения несут только признак карликовости, и, комбинируя этот признак путем само- или искусственного опыления, можно получить только карликовые растения. «Прямые» (истинные) высокие растения несут только признак высокорослости, и комбинация дает только высокие растения.

Если «истинное высокое» растение скрещивать с карликовым растением, «высокий» фактор комбинируется с признаком карликовости, и следующее поколение станет гибридным. Все растения в этом поколении будут высокими, поскольку признак высокого роста — доминирующий, подавляющий карликовость. Однако фактор карликовости не исчезает.

Если такие гибриды либо перекрестноопыляемы, либо самоопыляемы, они неистинные потомки, поскольку несут в генотипе оба фактора, которые могут комбинироваться в широком разнообразии способов (что диктуется только случаем). «Высокий» фактор может комбинироваться с другим «высоким» фактором, производя истинно высокорослое растение. Это и происходит в одной четверти случаев. «Карликовый» признак может скомбинироваться с другим таким же, и получится карликовое растение. Это также случается в одной четверти случаев. В оставшейся части комбинаций «высокий» признак комбинируется с «карликовым» либо «карликовый» — с «высоким», производя неистинные (непрямые) высокорослые растения.

Мендель пошел дальше, чтобы показать, что аналогичное распределение признаков характерно и для других показателей, а не только роста. Он доказал, что каждый экстремум характеристик удерживал в дальнейшем свою идентичность. Если в каком-либо поколении этот признак исчезал, то появлялся в последующем поколении.

Это был ключик к теории эволюции (хотя Мендель никогда и не думал о приложении своих выводов к этой теории), поскольку сделанные им выводы означали, что случайные вариации видов в течение времени не усреднялись, а то появлялись, то исчезали как наследственные признаки, пока естественный отбор не давал полное их использование.

Ответ на вопрос, отчего же эти признаки казались усредненными в последующих поколениях, был таков: при случайном скрещивании наследуемые характеристики на самом деле были комбинацией генных характеристик. Разные компоненты их могут наследоваться независимо, и, пока каждый признак наследуется в манере «да» или «нет», общий результат некоторых «да» и некоторых «нет» — эффект усредненности.

Выводы Менделя также повлияли на евгенику. Выходило, что «вытравить» нежелательные характеристики не так уж просто: они не проявятся в одном последующем поколении, однако проявятся в другом. Искусственный отбор — дело более тонкое и более длительное, чем предполагал Гэлтон.

Гендель педантично описал результаты своих опытов, но, понимая свое положение малоизвестного ботаника-любителя, счел более мудрым заручиться поддержкой авторитетного ученого. Поэтому в 1860 г. он отослал свои результаты на суд Нагели. Тот отнесся к творчеству Менделя весьма холодно. Ему показалось малоинтересным подсчитывать расщепление признаков у какого-то горошка: гораздо более его влек мрачный мистицизм вселенских теорий вроде ортогенеза.

Мендель был разочарован. В 1866 г. он опубликовал свои заключения, однако без поддержки маститых ученых он остался незамеченным. А между тем Мендель был основоположником науки, которую мы сейчас именуем генетикой, или изучением механизма наследования, но ни ему, ни кому-либо иному это еще не было известно в те времена.

МУТАЦИИ

Во второй половине XIX в. перед ученым миром встала и еще одна проблема: в результате последних достижений физики длинная история Земли оказалась гораздо короче той, что представлялась. Закон сохранения энергии требовал разрешить вопрос: откуда приходит энергия Солнца? Тогда еще ничего не было известно ни о ядерной энергии, ни о радиоактивности. Можно было бы предположить, что эволюция шла скачками, поскольку в свете открытий физики оказалось, что для постепенной «дарвинистской» эволюции попросту не хватает времени.

Голландский ботаник Хуго де Ври (1848—1935) был одним из сторонников эволюции скачков. К своей теории мутаций он пришел позже Менделя, но тем же путем, наблюдая за растущими в собственном саду растениями. Он обнаружил, что индивидуальные характеристики передаются из поколения в поколение без смешения и усреднения, причем в каждом поколении появляется новая разновидность растений одного и того же вида, отчетливо отличающаяся от прочих, и она также закрепляется наследственно. Де Ври назвал эти внезапные изменения мутациями (по-латыни — «изменения»).

Такие скачкообразные изменения в генетике всегда были известны простым скотоводам. К примеру, в Новой Англии в 1791 г. появилась закрепленная мутация коротконогой овцы. Ее закрепляли и разводили только потому, что она не могла перепрыгивать изгороди — а значит, облегчала задачу скотовода. Однако скотоводы не были озабочены теоретическими изысканиями, а ученые до поры до времени не вдавались в проблемы скотоводов.

Когда де Ври уже готовился опубликовать свои выводы, добросовестное изучение предыдущих работ по теме открыло перед его изумленным взором 34-летней давности изыскания Менделя. Кроме того, еще двое ученых, немец Карл Э{5их Корренс и австриец Эрих фон Сейсенег, в том же году опубликовали работы, весьма сходные с работой де Ври. И все трое независимо процитировали выводы Менделя и привели свои в подтверждение его прозорливости.

Таким образом, были разрешены казавшиеся неразрешимыми вопросы дарвинизма.

ХРОМОСОМЫ

В XX в. законы Менделя приобрели еще большее значение.

Ученые, работавшие над клеточной теорией в течение XVIII и начала XIX в., не видели слишком многого, даже имея улучшенный микроскоп. Клетка — это прозрачное тело, следовательно, специалисты должны были описать ее вдоль и поперек. Но они не видели в ней ядра — уплотнения в центре. Первым его обнаружил шотландец-ботаник Роберт Браун (1773 — 1858), сделавший предположение о ядре в 1831 г.

Семь лет спустя, когда Шлейден выдвинул клеточную теорию, он обратил особое внимание на ядро. Ученый догадался, что именно ядро связано с репродуктивной функцией, однако считал, что новые клетки «вырастают» прямо из его поверхности. К 1846 г. Нагели показал, что это неверно. И все же в первой части своего предположения Шлейден оказался прав: именно ядро отвечало за деление. Накопленные знания требовали усовершенствования методики детального изучения строения клетки.

Методика пришла сама собою и совсем из иной области: из органической химии. Вслед за открытиями Бертло химики-органики начали разрабатывать методики синтеза органических веществ, которых нет в природе. Многие из них были ярко окрашенными и в 1850-х годах положили начало гигантской индустрии синтетических красителей.

Если содержание клетки действительно гетерогенно, вполне возможно, что некоторые части могут реагировать с определенным химическим агентом и абсорбировать его, в то время как другие части не могут. Если агент является красителем, то в результате некоторые части клетки будут окрашены, в то время как иные — нет. Благодаря такой методике можно наблюдать не замеченные прежде детали строения.

Наиболее известным в биологии экспериментатором в данной области является немецкий цитолог Уолтер Флемминг (1843—1905). Он изучал животные клетки и обнаружил, что внутри ядра клетки имеются пятна материала, интенсивно абсорбируемые красителем. Они ярко выступают на бесцветном фоне. Флемминг назвал этот абсорбирующий материал хроматином (от греческого «цвет»).

Когда Флемминг окрашивал сектор растущей ткани, он убивал клетки, однако каждая из _> шх находилась на определенной стадии деления. В 1870-х годах Флемминг начал работать над изменениями в хроматиновом (окрашенном) материале, которые сопровождают прогрессивные изменения в делении клеток.

Он обнаружил, что, как только начался процесс деления клеток, окрашенный материал разделился на короткие нитеобразные объекты, которые позже были названы хромосомами (окрашенными телами). Поскольку эти нитеобразные хромосомы характерны для делящихся клеток, Флемминг назвал процесс митозом (от греческого «нить»).

Другие изменения, сопровождающие начало митоза, демонстрировали звездообразные фигуры (по-гречески «астра» — «звезда»). Объекты были похожи на крошечные точки, окруженные тонкими, расходящимися во все стороны нитями. По окончании деления астры два объекта расходились к разным полюсам клетки. Тонкие нити будто натягивали хромосомы, которые группировались посередине клетки.

В решающий момент деления каждая хромосома давала точную копию самой себя. Сдвоенные хромосомы впоследствии расходились поврозь, но одной из каждого дуплета—к каждому полюсу.

Клетка делилась, и посередине ее формировалась мембрана. На месте одной материнской клетки возникали две дочерние, каждая — с равным числом окрашенного материала (благодаря дублированию хромосом), таким образом, чтобы каждая хромосома дочерней клетки присутствовала когда-то в материнской клетке. В 1882 г. Флемминг опубликовал свои наблюдения.

Далее работу продолжил бельгийский цитолог Эдуард ван Бенеден (1864 — 1910). В 1887 г. он продемонстрировал два важных факта поведения хромосом. Во-первых, он представил доказательства того, что число хромосом постоянно в разных клетках организма, а во-вторых, что каждый вид характеризуется своим числом хромосом (теперь, к примеру, известно, что каждая клетка человека содержит 46 хромосом).

Далее он обнаружил, что формирование половых клеток — яйцеклеток и сперматозоидов — не сопровождается репликацией (удвоением) хромосом. Каждая яйцеклетка и каждый сперматозоид получают только половину обычного набора хромосом.

Американский цитолог Уолтер Саттон (1876 — 1916) указал в 1902 г., что поведение хромосом подтверждают наследственные факторы по Менделю. Каждая клетка имеет фиксированное число пар хромосом. Они способны продуцировать физические характеристики от клетки к клетке, поскольку при каждом клеточном делении число хромосом аккуратно сохраняется; каждая хромосома реплицируется для того, чтобы сформировать новую клетку.

Стадии митоза:

1 — хромосомы формируют ядро; 2 — они начинают расщепляться на две идентичные половины; 3 — хромосомы разделились, однако остаются сдвоенными у центра; 4 — они выстроились в линию, и «астры» отодвинулись к двум полюсам; 5 — хромосомы разделились и двинулись к полюсам; 6 — клетка начинает удлиняться; в результате сформировываются две идентичные клетки, каждая со своим ядром и одинаковым количеством хроматина, как в материнской клетке на первой стадии.

При формировании половых клеток каждая получает только половину обычного набора хромосом (одну из каждой пары). Когда происходит оплодотворение от слияния сперматозоида и яйцеклетки, восстанавливается обычное число хромосом. Когда оплодотворенное яйцо делится вновь и вновь для формирования независимого организма, набор хромосом тщательно восстанавливается. В новом организме одна из каждой пары хромосом приходит от материнского организма, а другая — от отцовского. Бесчисленные комбинации в дальнейшем производят всевозможные вариации характеристик, на которые только способен естественный отбор.

В начале XX в. теорией эволюции и генетикой была достигнута определенная вершина. Однако оказалось, что это лишь прелюдия к еще более потрясающим открытиям.

Глава 8 ПАДЕНИЕ ВИТАЛИЗМА

АЗОТ И ПИТАНИЕ

От весьма простых начал жизнь постепенно, под давлением окружающей среды, становилась все более сложной и одновременно вырабатывала эффективные способы продолжаться. В своем бесконечном разнообразии неживая природа не могла соперничать с изощренностью живых форм. Да, поднимались все новые горы, однако такие уже бывали ранее, а живые формы каждый раз возникали неповторимыми.

Дарвинизм, таким образом, благоприятствовал витализму: в воображении людском между живым и неживым вырос немалый барьер. И действительно, во второй половине XIX в. витализм вновь стал популярен.

Однако наибольшая опасность поджидала витализм в среде химиков-органиков. Против него была на щите поднята модель молекулы протеина — и обсуждение ее поглотило химиков вплоть до конца века.

Первым заговорил о важности протеина для жизни французский физиолог Франсуа Мажанди (1783—1855). Экономические дислокации, привнесенные наполеоновскими войнами, привели к массовому голоду во многих странах, и положение беднейших слоев стало ухудшаться. Правительства забили тревогу; во Франции была создана специальная комиссия; во главе ее встал Мажанди. Целью комиссии была разработка технологии производства пищи из дешевых компонентов вроде желатина.

В 1816 г. Мажанди в опытах по кормлению собак беспротеиновой пищей, содержащей сахар, оливковое масло и воду, потерпел неудачу: собаки сдохли с голоду. Одних лишь калорий не хватало для полноценной работы организма. Кроме того, не все протеины равно полезны. К сожалению, и в опытах, где желатин был единственным протеином, собаки погибали также. Так начиналась тогда наука диетология, или изучение состава питания и его связи с жизнью и здоровьем.

Протеины отличаются от гидрокарбонатов и липидов тем, что включают в свой состав азот. По этой причине на азот как на необходимый компонент для живых организмов было обращено пристальное внимание. Французский химик Жан Батист Буссенго (1802 — 1887) начал в 1840-х годах изучать потребности растений в азоте. Он обнаружил, что у некоторых растений, например у овощей (горошка, бобов и прочих), имеется отличительная от других особенность успешно расти на безазотной почве, причем без удобрения азотом. Они не только росли, но и увеличивали содержание азота в своих тканях. Единственное заключение, к которому мог прийти Буссенго, — что эти растения потребляют азот прямо из воздуха. (Теперь нам известно, что не растения сами по себе делают это, но азотфиксирующие бактерии, поселяющиеся в клубеньках корней.)

Вместе с тем Буссенго пошел дальше, чтобы показать, что животные не могут получать азот из воздуха, а получают его с нищей.

Для этого он заострил практические и обоснованные выводы Мажанди, соотнеся содержание азота в некоторых продуктах со скоростью роста подопытных. Взаимосвязь оказалась прямой, при условии, что в качестве источника азота берется одна и та же пища. И все-таки некоторые виды питания были более эффективны, нежели другие, при аналогичном содержании азота. Это означало, что одни протеины более используются организмами, чем другие. Вплоть до конца века причины этого факта были неясны. Однако уже к 1844 г. сам Буссенго эмпирически смог составить шкалу полезности различных продуктов в качестве источника протеина.

Дальнейшую работу осуществил немецкий химик Юстус фон Либих (1805 — 1873), который за последующую декаду лет подготовил обоснованный список полезных продуктов питания. Либих сильно полагался на механистические взгляды, поэтому обосновывал проблему с точки зрения агрохимии. Он считал, что потеря урожайности культур в результате многолетнего использования земель происходит из-за разложения и потребления некоторых минеральных составляющих, необходимых растениям. Растительные ткани содержат небольшое количество натрия, калия, кальция, фосфора, а те, в свою очередь, поступают с растворимыми веществами, которые растения в состоянии поглотить. С незапамятных времен люди увеличивали плодородие почвы, возвращая ей израсходованное питание с пометом животных. Так отчего же не добавить в почву сами минералы, чистые химически и механически, не несущие неприятного запаха, вместо того чтобы вносить навоз?

Он первый начал эксперименты с химическими удобрениями. Поначалу, слишком полагаясь на выводы Буссенго о поглощении растениями азота воздуха, он потерпел неудачу. Когда Либих понял, что большинство растений получают азот от растворимых азотных компонентов почвы (нитратов), он добавил их в удобрения. Как Буссенго, так и Либиха можно считать основателями агрохимии.

КАЛОРИМЕТРИЯ

Либих полагал, что гидрокарбонаты и липиды — горючие вещества организма, так же как они бывают горючими, будучи брошены в огонь. Это символизировало продвижение взглядов Лавуазье, выработанных полвека ранее. Лавуазье говорил об углероде и водороде, а сейчас можно было более специфично говорить о гидрокарбонатах и липидах — и те и другие состоят из углерода и водорода (плюс присоединенные радикалы кислорода).

Взгляды Либиха воодушевили других ученых на попытки определить, соответствует ли количество тепла, полученное от такого «топлива», аналогичному, если топливо будет сожжено вне тела, в окружающем пространстве. Со временем методики стали более тонкими, эксперимент усложнялся.

Устройства, которые позволяли бы измерить количество тепла, полученного от сожженных органических компонентов, были разработаны в 1860-х годах. Бертло использовал такое устройство (калориметр) для измерения тепла, произведенного сотнями реакций. В обычном калориметре горючее вещество смешивается с кислородом в закрытой камере и смесь взрывается электрическим взрывателем. Камера окружена водой. Вода поглощает тепло, полученное при взрыве, и в зависимости от повышения температуры воды можно определить количество выделившегося тепла.

Чтобы измерить тепло, производимое организмом, необходимо соорудить настолько большой калориметр, чтобы поместить туда этот организм. Исходя из расхода кислорода, потребляемого организмом, и выхода углекислого газа можно подсчитать количество сожженных гидрокарбонатов и липидов. Можно измерить количество тепла, производимого организмом, по повышению температуры водяного «кожуха». А это количество тепла уже возможно сравнить с тем, которое выделяется при обычном сжигании тех же количеств гидрокарбонатов и липидов в окружающей среде.

Немецкий физиолог Карл фон Войт (1831 — 1908), ученик Либиха, совместно с химиком Максом фон Петтенкофером (1818 — 1901) разработал подобный калориметр. Из сделанных ими измерений явствовало, что у живой ткани нет иного источника энергии, чем тот, что наполняет неживую природу.

Макс Рубнер (1854 — 1932), ученик Войта, не оставил уже никаких сомнений в данном вопросе. Он измерил количество азота в моче и фекалиях и соотнес его с количеством потребляемого азота в пище подопытных. К 1884 г. он доказал, что гидрокарбонаты и липиды — не единственные виды топлива для организма. Молекулы протеина также могут служить топливом после того, как от них отняли азот. В 1894 г. он показал, что количества тепла, выделяемые при поедании пищи и при обычном ее сжигании, практически одинаковы. Закон сохранения энергии выполнялся как для живой, так и для неживой природы — а значит, витализм был разгромлен.

Эти новые изыскания тут же были поставлены на службу медицине. Немецкий физиолог Адольф Магнус-Леви (1865—1955) измерил минимальный выход энергии у человека и обнаружил, что при заболевании щитовидной железы этот выход энергии значительно нарушается. Таким образом, энергетика питания была использована для медицинской диагностики.

ФЕРМЕНТАЦИЯ

Успехи калориметрии в последней половине XIX в. оставили витализму одну лазейку: протеиновая природа — против непротеиновой.

Хотя закон сохранения энергии выполняется как для живых форм жизни, так и для неживых, но неодолимая преграда лежит между методами получения этой энергии.

12 Следующая ⇒