Дитя природы. Беседы о социальной биологии

Цветы и эмоции.

Отчего у жирафов шеи длинные?

Теплым весенним вечером в небольшом скверике прогуливался молодой человек. Он неторопливо отмеривал шаги на небольшом пятачке, не обращая внимания на двух отдыхавших на скамейке мужчин. Вдали появилась девушка, приветливо махнула ему рукой и молодой человек, заложив за спину букетик, заторопился ей навстречу и нерешительным движением протянул цветы. Девушка всплеснула руками, приняла цветы и они стали удаляться, оживленно переговариваясь.

– Прекрасный обычай! – обратился один из сидящих на скамейке к своему собеседнику.

– Какой обычай?

– Дарить цветы.

– Вы правы. Кстати, Вы можете объяснить почему наша прекрасная половина так любит цветы, духи?

– Ну, вероятно потому, что им нравятся хорошие запахи, нравятся знаки внимания.

– Это действительно так, но я думаю еще и о другом. Я думаю еще о процессах биологических, в повседневной жизни, находящихся вне нашего сознания, но оказывающих значительное влияние на наше поведение.

– Что Вы хотите этим сказать? Что «биологического» Вы нашли в этой милой сценке встречи двух молодых людей?

– Биологического много и примером этого могут служить те же цветы. Их дарят не только потому, что они красивые, но и потому, что они имеют, как Вы уже сказали, прекрасный запах. А что же такое – этот запах? Из всех органов чувств, пожалуй, самым неизведанным является орган обоняния. Мы хорошо знаем, что органы чувств имеют рецепторы, воспринимающие внешние раздражения (свет, запах, звук, вкус пищи, прикосновения к коже). Эти раздражения по чувствительным нервным волокнам передаются в соответствующие центры мозга, мозг их анализирует и выдает ответные команды. Запахи возбуждают нервные окончания в носу и нервный импульс поступает в мозг к обонятельным луковицам (небольшим образованиям на передней части головного мозга, действительно похожим на луковицы). Так вот, оказалось, что луковицы – это не только центры запаха. Они выполняют и много других функций. (рис 1) Если крысе разрушить обонятельные луковицы, она перестает воспринимать запахи. Ну что же, как говорится, что и требовалось доказать. Но если эту же крысу с разрушенными луковицами поместить в клетку с другими животными, она с яростью бросается на них и непременно убивает. Если же не трогать луковицу, а просто перерезать обонятельный нерв, идущий от луковицы в мозг, крыса также не будет воспринимать запахи, но в этом случае она не станет бросаться на безвинных животных, а ведет себя вполне пристойно и миролюбиво. Из этого следует, что результатом агрессивности крысы является не потеря восприятия запаха, а разрушение обонятельной луковицы в мозге.

рис 1. Схема расположения обонятельной луковицы

Получается, что наряду с обонятельными функциями, луковицы, каким-то образом, управляют еще и эмоциями. С разрушенными луковицами животные становятся «социально опасными».

Луковицы, выполняя функции центра обоняния, синтезируют еще и Гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) и Серотонин, вещества, играющие очень важную роль в регуляции эмоционального состояния. Недостаток этих веществ усиливает чувство страха, резко возрастает реакция на внешние раздражители, на боль, на посторонние предметы. Животные вздрагивают от малейшего шороха. Наступает угнетенное состояние, внешне ничем неоправданная и необузданная агрессивность, жестокость по отношению к другим.

При поступлении же Серотонина из обонятельных луковиц в кровь, отрицательная гиперреакция снижается, появляется чувство «глубокого удовлетворения», эмоциональный подъем. Ген, ответственный за выработку Серотонина так и был назван «Ген любви». Серотонин, в свою очередь, стимулирует триаду гормонов – Дофамин, окситоцин и эндорфины – вся эта четверка характеризуется как гормоны счастья. Жизнь прекрасна! Все что существует вокруг, создано для любви и счастья! Я не могу утверждать это на сто процентов, науке еще многое предстоит познать, но мне кажется, когда девушка принимает фантастически пахнущие цветы, с удовольствием вдыхает их запахи, возбуждаются ее обонятельные луковицы, которые, в свою очередь, способствуют выделению Серотонина и, как результат – положительный эмоциональный подъем. Остальное – за ее избранником. Но и избранник, окруженный запахом ее прекрасных духов, в не меньшей степени ощущает эмоциональный подъем.

– Мне кажется, наша беседа приобретает неожиданный оборот: от свидания – к возбуждению обонятельных луковиц!!!

– Но проблемы взаимоотношений, социальные проблемы находятся в тесной взаимосвязи с биологическими процессами, протекающими в организме. Биологические процессы, находясь в сложных взаимодействиях, формируют не только его здоровье, не только то или иное поведение человека. Они определяют еще и здоровье, или болезнь общества, процветание, или гибель государств, цивилизаций.

– Как-то трудно с этим согласиться. Какая может быть связь между тем, или иным государственным устройством и биологией человека?

– Я вполне понимаю Ваши сомнения. Но если у Вас есть желание, я постараюсь помочь Вам убедиться в этом. И нам необходимо будет для этого сделать небольшой экскурс к истокам зарождения жизни на земле.

Наследственность, изменчивость, отбор – три кита эволюции всего живого на земле. Вы, по-видимому, знаете, что под наследственностью подразумевается способность живых существ передавать потомству присущие им признаки. Но в природе так не бывает, чтобы наследуемые признаки передавались из поколения в поколение абсолютно без каких бы то ни было изменений. Эта способность изменять признаки и определяется как изменчивость. В клетках любого организма довольно часто возникают различные изменения в структуре ДНК – Дезоксирибонуклеиновой кислоты, в которой заложена вся информация о строении и функции любого организма. (рис 2) Если меняется структура ДНК, то данные изменения обязательно передаются следующим поколениям. Но если бы в природе у растений и животных каждая спонтанно возникающая мутация (так называются изменения в структуре ДНК) имела бы право на существование, то… даже представить себе трудно что было бы на земле! Каждая особь представляла бы собой отдельный вид? Но, скорее всего, жизнь на земле просто прекратила бы свое существование. Виды – одиночки в нелегких условиях окружающей среды просто не смогли бы выжить.

рис 2. Схематическая картина двойной спирали ДНК

– А жизнь на земле продолжается… И если верить тому, что Вы говорите, то продолжаются и мутации. Где же тут логика?

– Логика в том, что абсолютное большинство мутаций приводит к гибели клеток. Представьте себе ситуацию когда человек, не разбираясь в строении часов, пытается вставить или убрать какую-нибудь деталь. Часы – это довольно сложный прибор и любые случайные изменения в схеме приведут к ухудшению качества и даже к поломке прибора. Но можно предположить, что из многих миллионов попыток, какое-то случайное изменение может оказаться настолько удачной, что приведет к улучшению хода часов.

Вы не станете возражать против того, что клетка неизмеримо сложнее любых часов. Этим и объясняется неспособность клетки к дальнейшему существованию при любых случайных изменениях в ее генетической структуре и лишь единицы из миллионов мутаций, не убивая клетку, могут в той или иной степени изменить некоторые ее функции. Но и это еще не обозначает, что измененная клетка будет нормально функционировать и оставлять потомство. Тут вступают в силу законы конкуренции. Право на жизнь в сложных условиях борьбы за существование имеют лишь те клетки,(а в конечном счете и весь организм) наиболее приспособленные к существующим в каждое конкретное время условиям внешней среды.

Внешняя среда в процессе эволюционного развития не изменяет организм, как это было принято считать в «славный» период «мичуринской биологии». Но в процессе эволюции она отбирает из существующих в природе вариантов тех, кто наиболее приспособлен к изменившимся условиям внешней среды. Внешняя среда – не творец новых разновидностей животных и растений, а экзаменатор, отсеивающий неподготовленных и неприспособленных.

– А как же, например, белые медведи, приспособившиеся к условиям жизни на Севере, или колючки, растущие в безводной пустыне? Насколько я знаю, по теории Ламарка, внешняя среда воздействует на различные органы и системы организма, а затем эти изменения наследуются последующими поколениями?

– Давайте остановимся на одном из многочисленных примеров, который был использован самим Ламарком для объяснения своей теории. Речь идет о довольно своеобразных животных – жирафах. Эти животные, питающиеся листьями деревьев, в далекие времена имели короткие шеи. Питались они только листьями деревьев.

Деревья, листьями которых в то памятное время питались жирафы, были карликовые, невысокого роста. Но шло время… Деревья росли все выше и выше. Жирафам, чтобы достать листья, уже приходилось все сильнее тянуть шею. Активно упражнявшаяся шея все более и более удлинялась, а форма удлинившейся шеи в дальнейшем наследовалась. Постепенно на земле оставались лишь потомки с длинными шеями, позволяющими жирафам свободно доставать листья выросших деревьев. Это явление Ламарк назвал законом «Наследования благоприобретенных признаков». И он, этот закон, действительно выглядит универсальным. Белые медведи на Севере? Белые они потому, что когда-то похолодало и сейчас там вечные снега. И медведи сменили свой цвет, подстраиваясь под общий снежный фон. Колючки? Все очень просто! Когда климат стал засушливым, листья растений свернулись, чтобы с них не испарялась дефицитная в этих местах влага. А в болотистых местах растения, наоборот, увеличили размеры листьев, чтобы излишек воды более активно испарялся с их поверхности, потому, что избыток воды в клетках растений может их погубить… И какую бы живность ни взять, везде мы можем увидеть признаки приспособления к тем условиям, где они обитают.

Казалось бы, нет никаких сомнений в правильности подобных выводов. И, тем не менее, имеет ли закон Ламарка право на существование? Нет, не имеет.

– Вы хотите сказать, что при столь значительных подтверждениях правильности данного закона, в нем, тем не менее, кроется какая-то ошибка?

– И существенная. Вы помните период, когда советская биологическая наука «победоносно» разоблачала «реакционное» учение Менделизма – Морганизма? Разоблачения эти осуществлялись на «… прочном фундаменте мичуринской биологии, взявшей на вооружение основные идеи учения Ламарка». Давайте снова вернемся к формулировке «Закона наследования благоприобретенных признаков». Что подразумевается под понятием «благоприобретенные признаки»? Упражняемые органы увеличиваются в размерах, а неупражняемые – уменьшаются. С этим положением нет смысла спорить. Достаточно взглянуть на штангистов или культуристов, как становится совершенно ясно, что постоянно работающие мышцы увеличиваются в размерах. А неупражняемые органы – уменьшаются? Загипсованная на несколько недель, неподвижная нога, или рука становятся тоньше здоровой. Космонавты при длительных полетах обязательно должны заниматься многочасовыми физическими упражнениями, поскольку в условиях невесомости из костей, не испытывающих обычную для человека нагрузку, вымывается кальций. Космонавты Николаев и Севастьянов, в свое время проработавшие на орбите в тесной кабине 18 суток без физических нагрузок, (в тот период тренажеры на космических кораблях не устанавливались), первые сутки после возвращения на землю, стоять самостоятельно на ногах не могли. И таких примеров можно приводить бесконечно.

Прав был Ламарк: приобретенные признаки подразумевают появление каких-либо признаков, или изменения их в течение жизни этого организма… Но когда мы подойдем ко второй части закона – о наследовании этих признаков последующими поколениями… Вот тут-то и скрывается главная загвоздка!!! Много дров наломал здесь Ламарк, а вместе с ним и пресловутые «мичуринцы».

Справедливости ради надо сказать, что И. В. Мичурин к «мичуринцам» в сущности никакого отношения не имел. Талантливый садовод – практик делал свое полезное дело, не претендуя на какие-то фундаментальные теоретические основы. Это уже потом академик. Лысенко Т. Д и его идеологический соратник профессор Презент И. И. прикрепили к знамени советской биологической науки имя Мичурина…

Послушайте как выглядит отрывок из приветственного письма Сталину от имени печально знаменитой сессии ВАСХНИЛ, организованной в 1948 году: «Продолжая дело Ленина, Вы спасли для передовой материалистической биологии учение великого преобразователя природы И. В. Мичурина, подняли мичуринское направление в биологии перед лицом всей науки как единственно правильное, прогрессивное направление. Вы, дорогой наш вождь и учитель, повседневно помогаете советским ученым в развитии нашей передовой материалистической науки, служащей народу во всех ее трудах и подвигах… Слава великому Сталину, вождю народа и корифею передовой науки!».

– Да! Каждый вождь у нас в стране автоматически становился и корифеем науки… Но, Вам не кажется, что мы несколько отклонились от темы?

– Нет. Просто нам не обойтись без экскурса в историю. Так вот, в 1809 году Жан Батист Пьерр Антуан де Моне, Шевалье де Ламарк опубликовал свой главный труд, озаглавленный им «Философия зоологии», где он и сформулировал два своих основных закона.

Первый: «У всякого животного, не достигшего предела своего развития, более частое и продолжительное употребление какого бы то ни было органа, укрепляет мало-помалу этот орган, развивает его, увеличивает и сообщает ему силу, пропорциональную продолжительности его употребления; тогда как постоянное неупотребление органа неприметно ослабляет его, приводит в упадок, прогрессивно уменьшает его способности и, наконец, заставляет его исчезнуть». В переводе на более упрощенный язык это обозначает: упражняемые органы увеличиваются в размерах, а неупражняемые, соответственно, уменьшаются.

И второй закон: «Все, что природа заставила особей приобрести или утратить под влиянием внешних обстоятельств, в которых с давних пор пребывала их порода, и, следовательно, под влиянием преобладающего употребления известного органа или под влиянием постоянного неупотребления известной части, все это сохраняет – путем размножения – в новых особях, происходящих от прежних…». Т. е., все произошедшие в течение жизни изменения передаются следующим поколениям.

Много споров в научном мире вызвали эти положения. Но с каждым годом закон находил все большее количество приверженцев и в течение последующего столетия казался непоколебимым. Даже Дарвин, великий Дарвин, в 1859 году открывший миру закон эволюции и выдвинувший поначалу гипотезу «пангенезиса», в конце концов, отказался от этой теории и был вынужден признать правильность закона наследования благоприобретенных признаков.

Какова растворимость наследственности?

Двигатель эволюции – мутации.

Что такое «хорошо» и что такое «плохо»?

– Пангенезис? Это что-то связанное с общим развитием, или это каким-то образом связано с генами?

– И да и нет. В то время еще ничего не было известно о генах. Под генезисом подразумевалось развитие. Пытаясь как-то объяснить механизмы передачи признаков по наследству, Дарвин выдвинул гипотезу, согласно которой в цитоплазме всех клеток имеются особые саморазмножающиеся вещества (геммулы), которые выполняют роль активных агентов жизнедеятельности и развития клеток. Эти «гемулы», постепенно оттесняясь из всех клеток тела, концентрируются в воспроизводящих органах и составляют его наследственную основу.

Когда мужская и женская половые клетки сливаются и образуют зиготу, эмбрион развивается из этих корпускул – полномочных представителей всех органов. Как Дарвин был близок к истине! Он рьяно отстаивал свои позиции, несмотря на то, что теорию пангенезиса не мог и не хотел принять никто из его современников. Доводы своих многочисленных оппонентов Дарвин, со свойственной ему скрупулезностью, тщательно анализировал, находил слабые стороны и воздвигал убедительные контрдоводы. Но, однажды заданный ему вопрос одного из многочисленных оппонентов (кстати сказать, не биолога, а математика по фамилии Дженкинс), остался без ответа. Дарвин на многие годы задумался, тщетно пытаясь найти удовлетворительный ответ и, в конце концов, вынужден был к концу своей жизни отказаться от своей гипотезы потому, что так и не смог найти вразумительный для себя ответ на заданный ему вопрос.

А вопрос был предельно прост:

– Ну, хорошо – возражал Дарвину математик – если действительно допустить, что в половых клетках на самом деле имеются корпускулы и которые могут быть представителями всех органов и тканей, тогда при слиянии гаметы, содержащей в себе измененные корпускулы с гаметой, не имеющей этих изменений, в первом поколении будет уже содержаться половина измененных корпускулов, во втором поколении – останется всего лишь четвертая часть, а в третьем – восьмая часть, в следующем поколении – шестнадцатая часть и т. д. И уже через несколько поколений любой признак всегда будет как-бы растворяться? А где же тогда наследование изменений, о котором Вы говорите в своих предположениях?

Дарвин, к сожалению, не знал ничего о генах в тот период. Никто тогда об этом ничего не знал. Не мог догадаться о генах и отец генетики Грегор Мендель. Это кажется странным – отец генетики, не знавший ничего о генах? Смысл заключений Менделя сводился к тому, что признаки не исчезают навсегда и могут проявляться через многие поколения. Этот закон Мендель обозначил как «Закон чистоты гамет».

Вы помните предмет спора математика с Дарвином? Ответ, как оказалось, был очень прост.

– Дарвин не был знаком с публикацией Менделя?

– Трудно сказать. По-видимому, нет. Информационная служба в тот период была не на очень высоком уровне. Надо сказать, что работа Менделя вообще оказалась никем не замеченной. Наука просто не была готова к восприятию такой основополагающей информации. Однако, спустя почти сорок лет после публикации пошло лавинообразное развитие генетики. Стало возможным решение вопросов, так долго мучивших и Ламарка и Дарвина и многих, многих других естествоиспытателей.

Оказалось, что внутриклеточные «корпускулы», о которых упоминал Дарвин, это не какие-то представители органов и тканей в половых клетках, а гены, кодирующие структуру и функции в клетках и, в конечном итоге, во всем организме и находятся эти гены в ядрах не только половых клеток, но и всех остальных соматических клеток. Именно они являются носителями наследственности. Каждый ген ответственен за четко определенную часть в сложном комплексе жизнедеятельности клетки. В каждой клетке генов насчитывают сотни и тысячи.

Например, Проект Геном человека, т. е. работа по составлению карты генов человеческого организма, начался в 1990 году, под руководством американского биолога Джеймса Уотсона, получившего в 1962 году Нобелевскую премию. совместно с Фрэнсисом Криком и Морисом Уилкинсом за открытие структуры молекулы ДНК. В 2000 году опубликовали черновик структуры генома, а полный геном – в 2003 году Работа продолжалась более 13 лет, в течение которых ученые пытались выяснить точную последовательность нуклеотидов в ДНК и расположение генов. Сейчас известно, что ДНК человека содержит более 25 тысяч генов

– «Ген», «генетика» – эти понятия давно уже стали привычными. Используются они широко, смысл их понятен, но все-таки трудно представить себе что же подразумевается под этими понятиями, какова их структура?

– Действительно, человеку, не обладающему специальными знаниями, трудно разобраться во всем этим. Дело в том, что гены представляют собой определенный набор химических соединений, называемых нуклеотидами, в состав которых входят азотистые основания – Аденин, Гуанин, Цитозин, Тимин. Соединяясь между собой в самых разнообразных комбинациях, они и составляют структуру гена, в котором могут находиться от десятков до нескольких сотен тысяч азотистых оснований. Каждый ген кодирует строго определенную структуру белка. Когда в клетке различные аминокислоты (их насчитывается 20) начинают соединяться друг с другом и образовывать белки, эти соединения образуются не беспорядочно, а в строгом соответствии с порядком расположения азотистых оснований в генах. Т. е. в генах зашифрованы количество и порядок расположения аминокислот в процессе синтеза белка. Порядок расположения аминокислот в белке, т. е., структура белка определяет его функцию. Варианты комбинаций двадцати аминокислот бесконечны и именно этим определяется бесконечное разнообразие белков, составляющих структуру и функции любого организма.

Время от времени в генах могут происходить случайные изменения. Могут выбиться из цепочки азотистые основания, или подсоединиться случайно другие. В клетке есть специальные ферменты, которые, подобно путевым обходчикам на железной дороге, следят за состоянием генов и, в случае каких-либо изменений, могут зашить разрывы, восстановить первоначальную комбинацию азотистых оснований в генах. Но ремонты не всегда протекают удачно и тогда, с изменением расположения азотистых оснований в генах, меняется и взаимное расположение аминокислот во вновь синтезируемом белке, что влечет за собой изменение функции этого белка.

Как правило, подобные изменения функции приводят к гибели клетки. Вы помните пример с часами. Лишь некоторые (не очень значительные) изменения не убивают клетку и в дальнейшем, когда эта клетка размножается, измененный ген, а, соответственно и измененные функции передаются следующим поколениям. Это то, что называется «мутационная изменчивость» – изменчивость, вызванная изменением структуры гена (мутация). Изменчивость бывает и другая – вызванная факторами внешней среды. Об этой форме изменчивости мы уже говорили. Конечно же мышцы при интенсивных тренировках увеличивают свою массу. Но дело в том, что эти изменения происходят под влиянием внешних факторов, без изменений структуры гена и, следовательно данные изменения по наследству никак не могут быть переданы. Можете ли Вы себе представить, что у активно занимающегося штангой папаши, рождается младенец, с уже сформировавшейся фигурой штангиста или какая-нибудь дама, загоревшая на юге до черноты, через некоторое время становится матерью чернокожего ребенка?

Итак, под влиянием внешней среды организм может меняться. В этом Ламарк и его последователи правы, но данные изменения не имеют продолжения в потомстве. По наследству передаются только те признаки, которые проявляются с изменениями в структуре генов, расположенных в ядрах клеток животных и растений. В природе постоянно присутствует некое количество животных, или растений, несущих в себе признаки случайно измененных генов. И в процессе эволюционного развития природа не изменяет живые существа, она лишь отбирает из уже имеющихся вариантов тех, кто наиболее приспособлен к данным конкретным условиям среды существования.

Археологические раскопки показали, что на земле действительно жили жирафы с короткими шеями и жили они тысячелетиями припеваючи, поскольку легко доставали основную пищу – листья с низких кустарниковых деревьев. (рис 3) В течение этих же тысячелетий появились мутанты с необычайно длинными шеями. Т. е., рождались жирафы – уроды, у которых по какой-то случайности, или вполне спонтанно изменились гены, определяющие форму шеи. А, поскольку изменялась структура гена, то у данных жирафов появлялось такое же «уродливое» потомство.

рис 3. Ископаемые (вымершие) жирафы с короткими шеями

Поначалу их было не так уж много, потому, что им было в тот период несладко – приходилось сгибать свою неуклюжую шею для того, чтобы сорвать листья с карликовых деревьев. Да и от врагов не могли они убегать так сноровисто, как их миниатюрные собратья. Так и вымерли бы они все, если бы не появились счастливые для них обстоятельства.

В эти тысячелетия менялись и деревья, листьями которых питались жирафы. Деревья стали увеличиваться в размерах. Теперь уже изменившаяся ситуация оказалась не в пользу основной группы жирафов с короткими шеями. Они тянули свои короткие шеи, но… Вопреки утверждениям Ламарка, шеи их в последующих поколениях не удлинялись от постоянных упражнений на растяжку.

Жирафы, утерявшие возможность свободно доставать себе пищу, слабели от голода, болели, становились жертвами хищников. Погибали в неблагоприятных для себя условиях. В то же время, длинные шеи жирафов оказались отличным подспорьем в этих изменившихся условиях. Не прошло и пары десятков тысячелетий, как жирафы, имевшие короткие шеи, вымерли, а «уродливые» мутанты, получившие жизненное пространство, активно продолжили свой эволюционный путь развития, сохранились до наших дней и выглядят они совсем не уродцами, а вполне респектабельно.