Практическая биология для школьников

Для начала заглянем на кухню. Представьте, тёплое и солнечное летнее утро: лучики падают на лицо и согревают, заливают помещение ярким светом. В этот день вам никуда не нужно спешить, можно расслабиться, оглядеться вокруг и присмотреться к окружающему.

Чай или кофе?

Вы предпочитаете чай или кофе? Оба эти напитка невероятно ароматные. Потяните носом воздух: чувствуются древесные нотки, шоколад, карамель, корочка хлеба, только что вытащенного из печи… И ещё множество различных оттенков. Каждый вдох будто раскрывает новые грани запаха, возбуждает аппетит и подталкивает нас быстрее ощутить вкус любимого напитка.

Запах – это химические молекулы, которые перемещаются по воздуху, залетают в нос и взаимодействуют с обонятельными рецепторами. Рецепторы – специальные чувствительные структуры, задача которых воспринимать различные сигналы из окружающей среды и переводить их в нервные импульсы. Из чего складывается аромат чая? Классический горячий напиток получают путём заваривания листьев чайного куста (камелии китайской), в составе которых множество неорганических и органических веществ. В том числе, содержатся терпены, фенилпропаноиды и производные жирных кислот (не пугайтесь сложных названий), многие из которых относятся к летучим соединениям, придающим определённый запах.

Конкретный аромат – это букет из разных молекул, сочетающихся между собой. На запах чая влияют особенности обработки сырья, степень ферментации (биохимическая переработка, от которой также зависит, будет напиток зелёным или чёрным), условия хранения и другое. И, конечно, большую роль играют разные добавки: искусственные ароматизаторы или натуральные ингредиенты (лепестки цветов, ягоды, листья других растений и пр.). При попадании заварки в горячую воду вещества растворяются, а часть молекул поднимается в воздух и достигает наших обонятельных рецепторов.

С кофе примерно та же история. Его делают из специальных зёрен – семян, полученных из плодов кофейного дерева. Сырьё подвергается сушке, ферментации, обжариванию. Во время заготовки и приготовления происходит множество химических реакций, в результате чего возникают и высвобождаются летучие ароматические соединения – молекулы органических веществ. Подробное объяснение природы запаха оставлю химикам, но отмечу, что в его формировании участвует несколько сотен молекул, при этом по отдельности они обладают совершенно различными ароматами, которые, смешиваясь, превращаются в привычные нам.

Чашка чая или кофе может нам поведать ещё кое-что о восприятии химических молекул. Любители горячих обжигающих напитков смогут подтвердить, что их вкус очень слаб и малозаметен, но по мере остывания можно уловить какие-то новые ноты и грани, например, фруктовые или цветочные, а горечь кофе тем менее ощутима, чем выше его температура. Если же зажать нос или задержать дыхание перед тем, как сделать глоток, впечатления будут менее яркими. Как это объяснить?

Средняя температура в ротовой полости здорового человека – около 37 °C. Вкус многих блюд и напитков ощущается более насыщенным, если их температура близка к этому значению или чуть выше него. В таких условиях чувствительность рецепторов максимальная, но она снижается при контакте с горячим. Поэтому при остывании чая или кофе мы и можем наблюдать постепенное изменение: вкус сначала незаметен или слабозаметен, появляется или усиливается по мере остывания напитка. Последнее можно ощутить, даже чуть подержав жидкость во рту, так как она охлаждается естественным образом и под действием слюны. Если же сосочки языка повредились чрезмерно горячей пищей, чувствительность утратится на некоторое время, но потом вернётся, так как эти структуры обновляются.

На вкусовое ощущение влияет не только информация от сосочков языка и температурных рецепторов, но также от рецепторов давления и обоняния. Воздействие пищи на челюсть, зубы и жевательную мускулатуру даёт представление о твёрдости, а запах помогает сделать образ объёмнее и детальнее. Дело в том, что вкус и обоняние – разновидности химической чувствительности, хеморецепции – одной из древнейших способностей, помогающих получать информацию из внешнего мира и внутренней среды. В головном мозге центры обработки информации от этих органов находятся рядом и влияют на работу друг друга, поэтому вкус хуже ощущается без запаха и наоборот, а при наличии обоих ярко выраженных ощущений одно усиливает другое. Вспомните, как это бывает, когда болеешь и ешь что-то с заложенным носом. А иногда только по аромату будто чувствуешь вкус чего-то.

Итак, задействуем одновременно вкус и обоняние и следим за температурой – простые правила, которые помогут получить максимальное удовольствие от чая, кофе или еды.

Задержимся ещё ненадолго у экспонатов в виде коробочек с заваркой. Что это за синий чай, опять какую-то химию придумали и людям подсовывают? Стоит признать, что дело действительно в химии, только в органической, естественной, то есть в веществах, которые есть в растениях и действительно отвечают за цвет.

Такие вещества называются пигментами. У организмов их очень много, даже у нас, например, меланин отвечает за цвет кожи, волос и радужки глаза. А растения содержат один из самых известных пигментов – хлорофилл (зелёный), чуть менее знакомые по названию каротиноиды (красные, оранжевые, жёлтые), ещё более незнакомые антоцианы (фиолетовые, синие, красные) и другие группы красящих веществ. Именно антоцианы отвечают за необычный цвет чая, в составе которого можно увидеть название растения клитория (анчан, клитория тройчатая). Из лепестков этого цветка получают синий порошок, используемый в качестве красителя, и делают чайный напиток.

Похожим образом обстоят дела с другими напитками необычного цвета. Изучите их состав, обратите внимание на интересные названия и поищите информацию в интернете. Если пигменты натуральные, то вы быстро найдёте подтверждение в сети. Помимо анчана их получают из экстракта куркумы, лепестков роз и гибискуса, свёклы и др. Если же цвет получают только за счёт искусственных красителей, это будет сразу понятно по составу.

Чай и кофе – очень хорошо, но, возможно, кому-то покажется их употребление неуместным в это время года. Например, лето и жара, зачем ещё и тёплые напитки пить? А вот в тех странах и городах, где высокие среднегодовые температуры и сухой климат, вряд ли зададут такой вопрос. Ведь люди здесь прекрасно знают, что после чашечки чая становится легче дышать, да и вообще жить в условиях жары.

Это связано с тем, что при употреблении тёплого питья температура внутри организма немного повышается, запускаются регуляторные механизмы, задача которых – вернуть всё в норму. В результате кровеносные сосуды расширяются, излучая больше тепла в окружающую среду, интенсивнее выделяется пот. На этот период уменьшается разница между температурой внутри организма и в окружающей среде, поэтому легче переносить жару. Правда, тёплые напитки помогают только в сухом климате, где пот быстро испаряется с поверхности тела. Во влажном воздухе механизм работает слабо, поэтому не принесёт облегчения (*тяжёлый вздох человека, проживающего в Санкт-Петербурге*).

Биология выпечки и йогурта

Проголодались? Я вот, кажется, да. Может, съесть круассанчик или пирожок с картошкой? А заодно обсудить биологию выпечки.

Для выпечки часто готовят или покупают дрожжевое тесто. Что это значит? Что в нём есть дрожжи. А вы помните, что они относятся к грибам? Дрожжи – микроскопические одноклеточные организмы, внутри которых происходят разные процессы жизнедеятельности. В холодильнике и на полке в магазине найдём прессованные или сухие дрожжи, которые, словно неживые, находятся в замершем, спящем состоянии – ждут подходящего момента. Этот момент наступит, когда окажутся в заготовке для теста, в тепле и с минимальным доступом кислорода (или совсем без него). Вот сейчас-то они и приступят к процессу брожения, который сделает наше тесто воздушным и пышным.

Брожение – процесс получения энергии в бескислородных условиях, то есть когда кислорода нет или недостаточно в среде, например воздухе. Именно поэтому тесто рекомендуется накрыть полотенцем или поставить в закрытый шкаф.

В тепле процесс пойдёт быстрее и эффективнее, так как ферменты положительно реагируют на температуру: чем она выше, тем активнее идёт брожение. Ферменты – это биологические катализаторы, специальные молекулы, ускоряющие реакции. Правда, по температуре есть некоторая оговорка: к увеличению скорости химических процессов повышение будет приводить только до определённого момента, потом показатель скорости замрёт на одном месте, а при дальнейшем повышении температуры – снизится. Подробнее об этом явлении поговорим позднее, а сейчас только отмечу, что брожение дрожжей в тесте максимально эффективно примерно при 26–27 °C (зависит от теста и культуры дрожжей).

Ещё для брожения дрожжам нужен сахар или другой источник углеводов, например крахмал муки. Они его окисляют и получают специальные молекулы АТФ, которыми расплачиваются за все прочие процессы жизнедеятельности. В ходе различных химических реакций, а здесь их достаточно много, выделяется углекислый газ. Он заполняет пространство между частицами теста и поднимает его, придавая ту самую пышность. Для дрожжей углекислый газ – просто побочный продукт (в общем-то как и для нас в процессе дыхания), но позволяющий получать такую прекрасную выпечку.

Давайте обобщим: заготовка для теста + дрожжи + тепло + мало кислорода = брожение = румяные круассаны, пирожки и прочие аппетитные изделия.

А как же хлеб? Для его приготовления также издавна применяют дрожжи, что можно назвать первой биотехнологией. Многим кажется, что биотехнология – это что-то, непременно связанное с лабораторией, с вмешательством человека в естественный ход событий и, конечно, современное. На самом деле это любое применение живого организма и процесса, происходящего в его клетках, в промышленности, например, для получения какого-либо продукта. А что же с выпечкой? Используем живой организм (дрожжи) и процесс в его клетках (брожение) для производства хлеба. То есть типичная биотехнология, пришедшая от далёких предков, ещё даже не придумавших такого слова.

Кстати, ещё один интересный продукт брожения – йогурт. Только для его приготовления нужны уже не дрожжи, а бактерии, молочнокислые. Условия для протекания почти такие же: микроорганизмы, тепло, молочный сахар (лактоза) и малое количество кислорода. Основной продукт – молочная кислота, которая превращает молоко в нечто новое. Так что надпись «живой йогурт» на упаковке имеет смысл, ведь внутри миллионы бактерий, создавшие эту вкуснятину. Правда, проходя через пищеварительную систему, большая их часть падёт жертвой различных соков нашего организма… Но об этом чуть позднее.

На йогурте можно найти и другие заслуживающие внимания надписи. Например, что значит «термостатный»? Это приготовленный в термостате – специальном устройстве, где можно задавать и поддерживать нужную температуру. Мы ведь уже упоминали, что для брожения нужно тепло, а подобное оборудование не только его создаёт, но и сохраняет неизменным. От этого бактериям максимально комфортно работается, а в итоговый продукт не будут попадать посторонние микроорганизмы (если всё сделано правильно).

Ещё одно, на мой взгляд, красивое и немного загадочное слово «перистальтика» можно встретить в рекламе. Перистальтика, или моторика – волнообразные движения стенок ряда внутренних органов, в том числе, органов желудочно-кишечного тракта, на которых и остановимся. Дело в том, что в строении стенок пищевода, желудка и кишечника хорошо выражена мышечная ткань (в основном гладкая), которая попеременно сокращается и расслабляется: чем активнее это происходит, тем лучше пища продвигается по организму, перемешивается с разными пищеварительными соками и переваривается. То, что мы едим, активно влияет на перистальтику.

Молочнокислые бактерии и продукты их жизнедеятельности положительно влияют на моторику кишечника, действуя на его стенки, повышая эффективность переваривания пищи. Также перистальтику усиливают пищевые волокна, содержащиеся в добавках и дополнительных ингредиентах йогурта: в камедях, злаках и др.

Однако не все йогурты действительно улучшают перистальтику кишечника. Положительный эффект принесут только продукты с высоким содержанием живых микроорганизмов, относительно коротким сроком годности, минимумом консервантов и сахара. Дело в том, что многие бактерии не смогут выжить в желудке с его соляной кислотой и сильными разрушающими ферментами. А большой срок годности йогурта, если он ещё и хранится при комнатной температуре, указывает на то, что микроорганизмы внутри уже не активны. Так что надпись «улучшает перистальтику кишечника» – часто просто рекламный ход.

Возвращаясь к брожению, отмечу, что с его помощью получают и другие хорошо известные нам продукты: сыр, соевый соус, квас, яблочный уксус…

Вездесущие микроорганизмы

В выпечке грибы, в йогурте бактерии… Что же это получается, везде вокруг нас какие-то микроорганизмы? Впечатлительным лучше этот ответ пропустить. Да, вокруг нас и даже в нас самих полно самых разных крошечных живых существ: одни помогают нам, другие наносят вред, третьи просто рядом, но не оказывают влияния. Поэтому полезно понимать, кто нам друг, а кто – враг, чтобы наилучшим образом использовать это для своей выгоды или максимально хорошо защищаться. По ходу экскурсии мы периодически будем возвращаться к этой теме.

Но раз эти микроорганизмы такие вездесущие, как же уберечь от них продукты? Для этого существует очень много способов, которые наши предки изобретали на протяжении своего развития и формирования цивилизации. Кстати, холодильники появились лишь относительно недавно, официально в 1899 году, а до этого времени приходилось что-то придумывать.

Особенно людям хотелось увеличить срок годности молока: свеженадоенное, оно очень быстро превращается в простоквашу (передаём привет молочнокислым бактериям с их брожением). Один из способов был предложен Луи Пастером и в дальнейшем получил название «пастеризация».

Биографическая справка. Луи Пастер – французский учёный-химик и изобретатель. Этого человека интересовали многие загадки природы, которые он пытался разгадывать. В частности, занимался микроорганизмами, а также связанными с ними реакциями жизнедеятельности. Изучая брожение, Луи Пастер пришёл к выводу, что этот процесс зависит от живых организмов, хотя многие его предшественники и современники считали, что это чисто химические реакции без примеси биологии.

Кстати, имя Луи Пастера тесно связано с иммунитетом и созданием вакцин. Этот учёный доказал микробную природу ряда заболеваний, например сибирской язвы, и предложил использовать вакцины для противостояния патологии. Стоит отметить, что ему пришлось преодолевать большое сопротивление, так как очень многие учёные того времени решительно отвергали тот факт, что какие-то микроскопические организмы способны вызывать тяжёлые болезни.

В классическом виде метод пастеризации выглядит так: молоко нагревают до температуры 60 градусов в течение часа, затем остужают, разливают в стерильные ёмкости и герметизируют. Способ позволяет уничтожить живые бактерии, что продлевает жизнь продукта примерно на 3–8 дней. Пастеризованное молоко мы найдём на полках магазинов и сегодня: обратите внимание, оно отличается непродолжительным сроком годности (5–12 суток).

Откуда же берётся молоко, которое может храниться по полгода? Значит ли это, что оно искусственное? Не искусственное, а прошедшее другую обработку. В наши дни существует несколько технологий, но можно обобщить и кратко рассказать про такие методы, как стерилизация и ультрапастеризация. Молоко нагревают до температуры выше 100 градусов в течение нескольких минут или секунд. В результате погибают не только бактерии, но и споры – специальные структуры, в которые превращаются микроорганизмы, когда условия становятся неблагоприятными (к слову, очень живучие, в среднем могут выдерживать температуры от –80° до +80 °C, но это не предел для некоторых видов). Поэтому молоко дольше сохраняет свою свежесть и не сбраживается, ведь внутри просто некому это делать. На таких коробках можно прочитать «стерилизованное» или «ультрапастеризованное» (есть технологические отличия этих методов, но мы не будем углубляться).

В завершение этой темы задам вопрос тем, кто хочет немного подумать и самостоятельно прийти к ответу: почему даже ультрапастеризованное молоко скиснет, если оставить его в открытом стакане при комнатной температуре?

Цыплята-переростки

Подойдём к хорошо знакомой и приятной экспозиции – холодильнику. Временами каждый из нас задумчиво, с глубокомысленным видом, изучает его содержимое на манер скульптуры «Мыслитель», уходит, а потом возвращается через несколько минут, «вдруг что-то новое появилось…» Что же тут интересного? Ооо, тут огромное множество биологических экспонатов, про некоторые расскажу подробнее.

Для начала присмотримся к бройлерному цыплёнку. Ничего себе цыплёнок! Да это же целая курица… Почему детёныш такой огромный? Нет, это не мутант. Дело в том, что бройлеры – гетерозисные гибриды.

Гетерозис, или гибридная мощность – явление, при котором дети превосходят родителей по ряду признаков, например, они крупнее, дают больше урожая, не так сильно подвержены заболеваниям и т. д. Применяется в селекции, то есть искусственном выведении, растений и животных. Но подобное мы увидим, конечно, не в каждом случае. Почему же одни цыплята обычные, маленькие и хиленькие, а другие – гетерозисные, крупные и мясистые?

Для получения таких бройлерных цыплят нужно взять родителей, сильно отличающихся друг от друга, представителей разных пород. Это приводит к сочетанию у потомства вариаций генов – участков молекулы ДНК, единиц генетической информации. У эмбриона формируются новые комбинации, совместное действие разных генов приводит к стимуляции развития признаков, поэтому наши цыплятки существенно превосходят куриц и петухов размерами и мясистостью, удивляя незнакомых с гетерозисом.

Цыплёнок-бройлер

В генетике существует несколько гипотез, пытающихся объяснить эффект гетерозиса, но ни одна пока не смогла сделать этого до конца. Скорее всего, работает сразу несколько механизмов. Исследования явления продолжаются, а мы ждём новых открытий.

По грибы

С эффектом гетерозиса мы ещё столкнёмся среди наших экспонатов и чуть подробнее затронем генетику, а пока продолжим осматривать полки. О, шампиньоны – достойная тема для обсуждения. Это шляпочные грибы, по строению относятся к пластинчатым (вопрос «почему?» сразу отпадает при внимательном осмотре). Обычно мы не видим внутренние пластинки, так как они вскрываются только при старении. Это отличный внешний признак, помогающий определить, что шампиньоны с полки магазина или собственного холодильника уже далеко не первой свежести. А почему так происходит?

У шампиньона, и ещё ряда грибов, выделяют мицелий и плодовое тело, состоящее из шляпки и ножки. Мицелий, или грибница – главная часть, находится под землёй или внутри другого субстрата, то есть чего-то, на чём растут организмы. Отвечает за питание, развитие и другие процессы жизнедеятельности, формирует плодовые тела со спорами – специализированными клетками, которые прорастают в новые грибы и обычно созревают под шляпкой. Отмечу, что несмотря на одинаковое название, у бактерий и грибов споры служат для разных целей: у первых – для перенесения неблагоприятных условий, у вторых – для размножения.