Продуценты, консументы, редуценты

Бактерии добывают пищу разными способами. Среди них немало паразитов: они разрушают ткани животных и растений – это возбудители всякого рода заболеваний. Есть и бактерии-автотрофы, то есть сами себя питающие. Эти из неорганических веществ (аммиака, например, углекислого газа и различных солей) создают органические (белки, крахмал) и строят из них свое тело. Энергию, необходимую для преобразований простых веществ в сложные, они извлекают из солнечных лучей. Хемотрофные бактерии питаются тоже углекислым газом и аммиаком, но энергию для изготовления белка добывают, окисляя железо, марганец либо молибден, серу и кремний («грызут», так сказать, камень и металл!).

Много среди бактерий сапробов, которые вызывают гниение белков и других органических веществ, разлагают их на более простые составные части – снова на углекислый газ, например, и аммиак.

Эти бактерии очень полезны. Горы мертвых тел лежали бы повсюду, если бы не бактерии^[26]. Они освобождают планету от растений и животных, в которых уже угасла жизнь. Сгнивая (с помощью бактерий), прах трупов возвращается в землю, из которой еще недавно извлекли его в виде почвенных солей корни растений, превратили, добавив еще кое-что; в сахар, клетчатку, белок и жир и отложили в своих листьях, стеблях и семенах. Затем эти готовые уже пищевые концентраты попали в желудок коровы, козы или другого травоядного зверя либо насекомого и птицы. Желудок переварил растительные ткани, кишки их всосали, кровь разнесла по всем клеточкам тела, и там из продуктов, заготовленных растениями, выросли новые ткани животного. А когда животное умерло, гнилостные бактерии снова вернули матери Земле вещества его тела: цикл замкнулся.

Этот великий круговорот веществ – основа жизни на Земле, ее, так сказать, энергетическая база. Все организмы, живя, питаясь и умирая, приводят в движение гигантский «маховик» круговорота жизни и смерти.

У «колеса» – три фазы вращения. В каждой из них роль главного двигателя выполняет особая группа живых созданий. В первой – продуценты, во второй – консументы, в третьей – редуценты. В первой фазе создается органическое вещество из воздуха и солей земли, во второй – оно преобразуется в новые формы, на третьей – вновь возвращается в землю и воздух, распадаясь на несложные части.

Продуценты – у нас растения, только они наделены волшебным хлорофиллом, способным консервировать солнечную энергию в белках, сахарах и жирах, создавая их при блеске Солнца из воды и углекислого газа. Сахар растения растворяют в своих соках, а кислород выделяют в атмосферу (если растение сухопутное) или в воду (если оно водяное). Эти интимнейшие процессы созидания протекают в крупинках хлорофилла, наполняющих все зеленые ткани растений. Энергию, необходимую для синтеза, хлорофилл улавливает из световых лучей, главный поставщик которых на Земле – Солнце.

Поэтому все органические вещества, изготовленные растениями, Климент Аркадьевич Тимирязев называл концентратами солнечной энергии или, попросту говоря, солнечными консервами.

Затем растения преобразуют сахар в разного рода органические кислоты, добавляют к ним азот и другие вещества, добытые из почвы, и создают в своих тканях белки и жиры.

Животные питаются уже готовыми продуктами, синтезированными растениями. Их, животных, называют поэтому консументами – пожирателями.

Животные, кстати сказать, и дышат кислородом, который выделяют при фотосинтезе растения. Когда-то, на заре жизни, до того, как разрослись на Земле леса, в атмосфере почти не было кислорода, и на планете, надо полагать, тогда очень трудно дышалось. Это растения напустили под голубой купол животворный газ. Они и сейчас продолжают пополнять его запасы в небесах. Поэтому ночью (в темноте) хлорофилл не работает, кислорода в воздухе меньше, а углекислого газа больше, чем днем.

Животные тоже не остаются, так сказать, в долгу перед зелеными кормильцами: когда дышат, они выделяют в воздух и в воду (если живут в море) много углекислого газа – растения, как известно, им питаются. А после смерти своей консументы оставляют продуцентам бесценное наследство – полные питательных веществ трупы.

Тут за них принимаются редуценты – бактерии: разлагают на составные части, которые затем легко усваивают из земли, воды и воздуха растения, вновь создавая из них сложные органические продукты – «колесо жизни» свершило полный оборот.

«Весь порядок природы, – говорит известный ботаник Фердинанд Кон, – построен на том, что… одни и те же частицы материи переходят из мертвого в живое тело в вечном круговороте».

Однако переход этот совершается не без потерь: некоторую часть веществ, заключенных в живых существах, бактерии бессильны разложить и вернуть на орбиту круговорота. Она, эта часть, выбывает из него навсегда (или на время). Выбывшие из биологического цикла вещества образуют в земле и на дне морей большие залежи – целые горы осадочных пород. Пустыня Сахара, например, раскинула свои пески над одним из таких древних кладбищ: она покоится на массиве известняков, целиком сложенном из невидимых (простым глазом) раковинок микроскопических животных – корненожек.

А мраморы, графиты, каменные угли разных сортов, некоторые железные и марганцевые руды, торф и, по-видимому, нефть – это ведь тоже наследие угасшей жизни, «шлак» обмена веществ или бренные останки когда-то процветавших растений и животных.

Считают, что одного лишь углерода органического происхождения на Земле накопилось уже 10 или 20 квадрильонов – 10–20 000 000 000 000 000 тонн! Прежде он, соединившись с кислородом в углекислый газ, парил в небесах, затем растения «съели» его, отложив в своих тканях в составе различных белков, углеводов и жиров, Потом животные съели растения. Бактерии разложили трупы тех и других снова на углекислый газ и другие простые вещества, и углерод в союзе с кислородом вновь вернулся в небеса. Но небольшая его часть осталась лежать в земле мертвым грузом.

«Небольшая» – 10–20 квадрильонов тонн! Внушительные ряды нулей в этой цифре весьма убедительно демонстрируют значение жизнедеятельных процессов во всех преобразованиях, совершающихся ныне на Земле. Живое вещество биосферы тончайшей пленкой покрывает нашу планету: толщина этой пленки, если равномерно распределить ее по поверхности земного шара, во всяком случае, не больше 2 сантиметров, а весит живое вещество почти в 600 миллионов раз меньше всей планеты. Но эта «пленочка» очень активна и на свой лад меняет лик Земли.

Сколь значительным бывает порой влияние биосферы на формирование облика планеты, показывает пример с кислородом. Ведь до возникновения жизни на Земле – я уже упоминал об этом – в атмосфере у нас кислорода не было (или было очень мало и лишь в самых верхних слоях). Когда зарождалась Земля, кружась пылевым вихрем вокруг Солнца, ее атмосферу наполняли главным образом два газа – водород и гелий.

Когда же она слиплась, наконец, в плотный шар, растеряв большую часть своего первородного водорода и гелия, в атмосфере Земли было много углекислого газа, азота, метана и аммиака. Кислорода еще не было.

И лишь когда растения одели планету в зеленый убор, кислород стал постепенно накапливаться под голубым куполом небес. Сейчас состав атмосферы уже совсем иной: азота в ней 78 процентов, кислорода – 21, углекислого газа – 0,03, водорода – 0,00005, а гелия – 0,00052 процента.

Полагают, что благодаря жизнедеятельности растений в атмосферу выделилось не меньше 26–52 квадрильонов тонн кислорода – в несколько десятков раз больше, чем содержится там его сейчас.

И в наши дни работа продолжается. Продуценты, консументы и редуценты новых поколений созидают залежи полезных ископаемых для горняков будущих эр.

Плоды их трудов малозаметны лишь потому, что жизнь человеческая коротка и мы не успеваем за выделенный нам природой срок охватить глазом все перспективы грандиозных перемен, совершающихся каждое тысячелетие на Земле. Деятельность живых организмов сказывается везде и в масштабах планетарного порядка. Искорка жизни, три миллиарда лет назад слабо тлевшая на мелководьях древних морей, охватила ныне бушующим пламенем всю планету и меняет в круговороте своих страстей, энергии и масс ее черты.

Глава III
Микромеханика жизни

«Атом жизни» – клетка

Главу, которую вы только что прочли, я назвал парадом природы. В немногих словах и весьма неполно рассказал о том, что именуют обычно разнообразием жизненных форм. На нескольких страницах жизнь продемонстрировала нам свою необычайную разносторонность. Но в этом многообразии проявляет себя и его диалектическая противоположность – единство. Единство жизни. Все мы: и рыбы, и птицы, и люди, и черви, и насекомые, и даже мхи и деревья – дети одной матери природы. Кардинальная формула демократов «все произошли от всех» находит здесь свое полное выражение.

Нигде с такой ясностью не обнаруживается единство жизни, как в микроскопических структурах, которые находим мы в живых клетках. Ведь все живое на Земле: и цветок, и кит, и соловей, и человек, быстро шагающий по планете, – сложено из клеток, как дом из кирпичей.

В каждой клетке каждого растения и животного есть протоплазма и ядро, рибосомы и хромосомы и многие другие удивительные микроорганы и органеллы. В ядрах клеток, в хромосомных нитях, как печенье в пакетах, плотно упакованы гены – небольшие группы атомов, которые управляют развитием из семени или яйца всего живого на Земле. План строения организма, цвет каждого его волосика и чешуйки, форма каждого лепестка и каждое инстинктивное движение психики закодированы тайнописью химических радикалов в молекулах, несущих наследственную информацию.

И весь этот план в четырех измерениях запрограммирован в запоминающем, так сказать, устройстве всего лишь одной клетки – оплодотворенного яйца.

Чтобы уместиться в микроскопической частичке живого вещества, гены, носители наследственной информации, должны быть максимально малы. Но в то же время и достаточно велики: иначе они не смогут противостоять тепловым ударам атомов, потеряют свою удивительную стабильность, и здание жизни, скрепленное, как цементом, наследственностью, рассыплется.

Мы стоим перед чудом: вы видели только что, как многообразна природа, как трудно описать даже и многими словами лишь основные типы живых конструкций. Но у каждого типа сотни тысяч более частных вариантов – видов и разновидностей. И этих разновидностей больше миллиона!

А ведь все качественные и количественные характеристики этих вариантов, то есть все свойства видов, больше того – каждого индивидуума каждого вида, закреплены в наследственности и стойко передаются из поколения в поколение.

Мы знаем также, что частичка живого вещества, несущая в себе сверхогромную наследственную информацию и условно именуемая геном, сложена всего лишь из нескольких десятков тысяч атомов! В человеке во всех клеточках его тела генов не больше, чем молекул в кубическом дюйме воздуха!

В неживом веществе поведение любой группы атомов беспорядочно и случайно и только в массе подчиняется статистическим законам. А тут перед нами очень небольшое с точки зрения статистики число атомов.

И в то же время их ассоциация в высшей степени упорядочена и стабильна. Наследственную информацию, записанную языком химии в структурах нуклеиновых кислот, они проносят через тысячелетия. Это и удивительно.

«Кожа» клетки

Итак, все живое на Земле, и растения и животные, сложено из клеток, как молекулы из атомов. Мало кого в наши дни это утверждение удивит, мало для кого оно будет новым. Но открытие этой, теперь можно сказать, прописной истины сделано сравнительно недавно и совершенно случайно.

Имя человека, который первым из людей увидел клетку, – Роберт Гук. Он был ассистентом известного физика Бойля. Случилось это в Англии в 1667 году. В то время, как известно, натуралисты и ненатуралисты, которые могли позволить себе подобное развлечение, увлекались лупами и микроскопами. Покупали или делали их сами и смотрели в увеличительные стекла на все, что попадалось под руку.

Роберт Гук сделал микроскоп сам. И рассматривал в него разные вещи, которые открывали перед ним свои невидимые для невооруженного глаза свойства. Позднее он рассказал об этом в книге «Микрография». Однажды ему попалась в руки пробка. Гук нарезал ее на тонкие ломтики и положил под объектив.

И увидел… стройные ряды ячеек, или клеток, как назвал их он. Роберт Гук, как смог, зарисовал клетки пробкового дуба. Но открытие Гука и его рисунки не произвели большого впечатления на современников.

Прошло еще 200 лет, и только в 1839 году была создана, так сказать, общая теория клеточного строения. Ботаник Маттиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн независимо друг от друга доказали, что из клеток сложена не только кора пробкового дуба, но и все вообще растительные и животные ткани, все живое на нашей планете.

Размеры клеток обычно очень малы. В капле нашей крови плавает около 5 миллионов красных кровяных шариков, каждый из которых клетка. В длину они около 7–8 микрон. А микрон – тысячная часть миллиметра.

Бактерии, каждая из которых тоже клетка, – еще меньше: в капле воды 40 миллионов бактерий живут так же просторно, как рыбы в пруду.

Но бывают клетки и очень большие. Например, куриное яйцо, вернее – его желток. Это тоже клетка. А яйцо страуса? Или эпиорниса, вымершей гигантской птицы Мадагаскара? Его скорлупа вмещала ведро воды.

Клетки растений и животных в общем похожи. Разница только в том, что у растений оболочки клеток сложены из клетчатки – многомолекулярного сахара. А у животных в основном из липидов – жироподобных веществ.

Молекулы липидов лежат, по-видимому, двумя слоями. Параллельно друг другу, но перпендикулярно плоскости мембраны, клеточной оболочки. Снаружи и изнутри липидная основа покрыта белком, образующим прочные и эластичные сплетения.

Помимо своего чисто механического назначения, клеточная оболочка играет роль очень важного в жизни клетки селективного органа. Она должна пропускать внутрь клетки (и из нее) одни вещества и не пропускать другие.

Какие силы обеспечивают проникновение избранных молекул в клетку?

Прежде всего, конечно, силы диффузии. Живые клетки почти всегда находятся в жидкой среде: в водном растворе разной концентрации и состава. Либо это морская или пресная вода, либо тканевый сок растения или межклеточная жидкость животного. Частицы веществ, растворенных в воде, под действием тепловой энергии стремятся равномерно распределиться в пространстве. Это известно из физики. В соответствии с тем же физическим законом вещества, растворенные в среде, окружающей клетку, проникают через ее оболочку. Если их концентрация внутри клетки мала, а в среде велика, они идут внутрь клетки. Если наоборот – пробираются наружу.

Для некоторых веществ клеточная мембрана может быть непроницаемой. Тогда, если их концентрация в клетке выше, чем вне ее, в нее начнет проникать вода. Клетка разбухнет. Но вода может и уйти из клетки, когда концентрация веществ, которые ее оболочка не пропускает, выше в окружающей среде. Диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану называется осмосом. Диализ – это диффузия молекул растворенного вещества через ту же мембрану.

Обе эти формы диффузии – и осмос и диализ – физическая основа, от которой зависит жизнь клетки.

Вторая сила, помогающая переносу веществ через клеточные барьеры, – электрическая. Многие растворенные вещества диссоциированы на ионы. А клеточные мембраны обычно сохраняют разность потенциалов на своих внутренних и наружных поверхностях. Разность потенциалов побуждает соответствующие ионы мигрировать внутрь клетки.

Наконец, третья сила, принимающая участие в пассивном переносе веществ через мембрану, – это так называемое втягивание. В том случае, когда мембрана пористая, раствор может протекать через нее по порам, как по капиллярам.

Однако этими тремя методами пассивного проникновения поступление веществ в клетку не ограничивается. Цитологи часто наблюдали, как некоторые вещества устремлялись в клетку, так сказать, против воли стихий, описанных выше. Они направлялись в сторону не понижения, а повышения градиентов сил, обеспечивающих пассивный перенос. Значит, при этом совершалась физическая работа. Энергию для нее поставляет клетка.

Примером веществ, концентрация которых в клетке противоречит законам пассивного переноса, могут служить калий и натрий. Во многих клетках калия значительно больше, а натрия меньше, чем в окружающей среде. В эритроцитах калия в двадцать раз больше, а натрия – в двадцать раз меньше, чем в плазме крови. Предоставленные самим себе, и калий и натрий распределились бы равномерно и в плазме и в эритроцитах. А раз этого не происходит, значит в кровяных клетках действует какой-то механизм, который постоянно «накачивает» в клетку ионы калия и «выкачивает» из нее ионы натрия.

Этот механизм до конца еще не изучен. Для его объяснения предложен целый ряд гипотез. Одна из них, получившая название модели Шоу, представляет дело так.

Гипотетические молекулы-переносчики на наружной поверхности мембраны соединяются с ионами калия. При этом они теряют часть энергии, но приобретают способность диффундировать со своим грузом через оболочку внутрь клетки. Здесь, на внутренней ее поверхности, молекула-переносчик отдает в цитоплазму калий и получает от нее энергию. Под действием полученной энергии превращается тут же в переносчика натрия. Соединившись с ним, снова устремляется к наружной поверхности клеточной мембраны. Там отдает натрий и энергию и, снова превратившись в переносчика калия, вместе с ним перебирается на внутреннюю поверхность мембраны. А там опять подхватывает калий, чтобы устремиться с ним внутрь клетки.

Есть еще одна очень интересная форма активной охоты клетки за нужными ей веществами. Это пиноцитоз – питье, или, вернее, заглатывание клеткой окружающей ее жидкости.

Происходит это так. На поверхности клеточной мембраны образуется углубление, которое замыкается в пузырек, или вакуоль. Та отрывается от оболочки и мигрирует внутрь клетки. Впечатление такое, будто клетка действительно пьет раствор, который ее окружает.

Пиноцитозу предшествует адсорбция на поверхности мембраны молекул поглощаемого раствором вещества. Когда его концентрация здесь достигнет определенной нормы, оболочка начинает втягиваться внутрь, образуя пиноцитозную вакуоль.

Некоторые амебы за полчаса успевают «испить» из воды, в которой живут, столько растворенного белка, что весь его вес составляет четверть веса самой амебы до пиноцитозной трапезы.

«Тело» клетки

Форма у клеток разная, но внутренняя анатомия у всех одинаковая. Почти вся полость клетки внутри оболочки заполнена протоплазмой. Она похожа на белок куриного яйца.

Шлейден, доказав, что все растения сложены из клеток, назвал их микроскопическими пузырьками с «растительной слизью». Чуть позже ботаник Моль дал этой первородной слизи имя протоплазмы.

Протоплазма – тело клетки, и тело не простое, а очень сложно устроенное. До сих пор его структура до конца не понята. Разные участки протоплазмы имеют консистенцию и простого раствора и коллоидного студня.

Каких же веществ это растворы?

Прежде всего белков – их в протоплазме 10–20 процентов, 2–3 процента жиров. А сахара – лишь сотая часть. И столько же нуклеиновых кислот и других веществ. Ну, а остальные 76–86 процентов принадлежат, конечно, воде. На одну молекулу белков в протоплазме приходится 18 тысяч молекул воды. Почему так много воды – вполне понятно. Ведь все реакции в клетке протекают в водных растворах. Вода, можно сказать, основной носитель жизни.

Старые ученые с препаратами в руках доказывали, что структура протоплазмы ячеистая, другие говорили – зернистая, третьи – фибриллярная, то есть нитчатая. Все они были правы, и все ошибались.

Протоплазма – очень подвижная система. И в переносном и в буквальном смысле. В зависимости от функционального состояния клетки, от ее возраста, от внешних воздействий она выглядит по-разному. Кроме того, протоплазма всегда в движении, в движении механическом. Она течет в пространстве, замкнутом оболочкой, увлекая с собой в вечной карусели все мелкие органы клеточного тела.

Почти во всех живых клетках в центре протоплазмы лежит более плотное, круглое, овальное, четковидное, подковообразное либо иной формы тельце. Это и есть знаменитое ядро клетки, о котором мы уже не раз упоминали и значение которого столь велико во всех явлениях жизни. В нем, в особых тельцах, называемых хромосомами, скрыты вещества, которые управляют развитием организма.

В клетках животных и некоторых низших растений еще в прошлом веке были открыты центриоли, едва заметные блестящие тельца, и так называемый аппарат Гольджи. Его нашли только у животных. Назначение этого странного органа еще толком не ясно.

Итак, протоплазма, ядро, оболочка, центриоли и аппарат Гольджи – вот основные микрочастицы, которые удалось обнаружить в обычный оптический микроскоп в атоме жизни – живой клетке.

Лучшие оптические микроскопы дают увеличение в 2 тысячи раз. Большего требовать и нельзя, потому что сколько бы их ни усовершенствовали, частицы меньше двух десятых микрона останутся невидимы. Все дело в природе света, который мы пропускаем через оптические системы микроскопа. Физики доказали, что при любой самой совершенной конструкции увеличительного прибора в лучах видимого света можно разглядеть предметы или их детали не более крупные, чем треть длины световой волны. То есть примерно около двух десятых микрона.

В 1932 году немцы Кюлл и Руски изобрели электронный микроскоп. В нем вместо стеклянных линз линзы электромагнитные, а вместо света течет поток электронов. Предметы, которые хотят увидеть, рассматривают на экране, похожем на экран телевизора. Длина волны движущихся в вакууме электронов в 100 тысяч раз короче световой. Поэтому электронный микроскоп дает полезное увеличение в 300 тысяч раз. И это не предел.

И вот, вооружившись электронным микроскопом, биологи стали искать и нашли в клетке еще несколько важных ее органов, или, как говорят, органелл, которые прежде были заметны лишь в виде точек либо совсем не видны. Теперь же не только сами эти сверхмалые частицы жизни, но и внутренняя их структура стали доступны наблюдению.

Митохондриями назвали эти поперечно-полосатые тельца. Они есть во всех клетках. И не в малом числе: обычно их около тысячи или несколько тысяч. Роль митохондриев очень ответственна. Они «энергетические станции» жизни. Без них клетка мертва и бездеятельна, как машина без горючего. Митохондрии преобразуют энергию химических связей в энергию жизни. Без шума, без нагрева и без давления сжигают митохондрии топливо жизни и в удобных «расфасовках» передают заключенную в нем энергию другим органеллам клетки. И те оживают, получив горючее.

В энергетических установках, созданных человеком, все не так: там грохот машин, жар печей, громады труб.

Пламя, которое пылает в митохондриях, не жжет. Работают они бесшумно и очень продуктивно: более 50 процентов энергии окисленного топлива идет на полезные дела, совершающиеся в клетке. В технике нет ни одной машины, которая работала бы с такой отдачей, с таким высоким коэффициентом полезного действия. Обычно лишь одну треть тепловой энергии горючего удается людям превратить в своих машинах в полезную работу.

Поиск по сайту: