Я познаю мир. Живой мир
Шрифт:
Об одном из основных понятий систематики – виде, и о том, как эти виды выделяют, мы подробно рассказали в главе «Становой хребет биологии». Повторим ещё раз: вид – это совокупность организмов самой близкой степени родства. Особи одного вида всегда способны скрещиваться и производить на свет плодовитое потомство, если для этого вида вообще характерно половое размножение. Близкие виды объединяются в роды, близкие роды – в семейства. А вот группы близкородственных семейств ботаники и зоологи называют по–разному, ботаники – порядками, а зоологи – отрядами. Родственные отряды (или порядки) объединяются в классы, а родственные классы в типы (зоологи) или отделы (ботаники). Высшая категория – это царство, объединяющее родственные типы (отделы). Впрочем, так обстояло дело до недавнего времени. Около десяти лет назад американец немецкого происхождения Карл Вёзе ввел ещё одну, высшую категорию – домен.
Шесть или семь царств
Некогда все произведения природы натуралисты делили на три царства – царство минералов, царство растений и царство животных. Надо сказать, что даже при таком простом разделении в классификации царила изрядная путаница. Скажем,
На этом, однако, дело не кончилось. Изучение протист показало, что они делятся на две четко различающиеся группы. Одни одноклеточные имели ядро, подобное ядру клеток всех растений и животных, а другие – бактерии – обходились без него. Мало того, у бактерий обнаружилось довольно много других особенностей, их строение и физиология имели мало общего со строением и физиологией клеток, обладающих ядром. В первой половине XX века американец Герберт Купеланд предложил ввести четвертое царство – царство бактерий. Довольно быстро стало ясно, что наиболее резкая граница пролегает не между царствами, а между бактериями и всеми прочими. Мир живых существ распался на две части – те, кто обладает клеточным ядром (и некоторыми другими внутриклеточными структурами), и те, кто этих структур лишен. Первых стали называть эукариотами (полноядерными), вторых – прокариотами (доядерными).
Но и это ещё не конец. Систематиков давно смущали грибы, которые с незапамятных нремен обретались в царстве растений. С развитием физиологических и цитологических исследований становилось всё яснее и яснее, что грибы и прочие растения имеют не больше общего, чем растения и животные. В 1958 г. ситуация «прорвалась» – Роберт Виттакер предложил выделить грибы в особое царство, что и было сделано.
Очередной сюрприз человечеству преподнесли бактериологи. Среди бактерий довольно давно была известна группа так называемых метанообразующих бактерий. Они сильно отличаются от всех прочих бактерий строением клеточной оболочки и особенностями метаболизма. В семидесятых годах XX столетия обнаружилось, что у всех этих бактерий последовательность оснований в рибосомной РНК совершенно другая, чем у всех прочих. Эту группу назвали архебактериями. Затем выяснилось, что к архебактериям относится, помимо метанообразующих, и множество других прокариот. Карл Вёзе показал, что дистанция между обычными бактериями (их теперь называют эубактерии) и архебактериями столь же велика, как между эубактериями и эукариотами» Он выделил архебактерий в отдельное царство (и всего царств стало шесть) и, кроме того, предложил ввести новый, высший таксон – домен.
По современным представлениям, мир живых существ разделяется на три домена: археи, бактерии и эвкарии. Домены архей и бактерий содержат по одному царству, архебактерии и эубактерии соответственно, а домен эвкарий – четыре: протисты, грибы, растения и животные. Происхождение эубактерий и архебактерий – вопрос крайне темный. Существует две гипотезы. Согласно одной, эти организмы возникли независимо друг от друга, то есть это вообще разные формы жизни. Большинство микробиологов склоняется, однако, к мнению, что архебактерии и эубактерии произошли от одного предка, причем разошлись эти ветви вскоре после возникновения жизни вообще, то есть около четырех миллиардов лет назад. При этом архебактерии сохранили больше древних и примитивных черт, свойственных первым живым существам планеты. Не менее темный вопрос – происхождение эвкарий, точнее, самого древнего их царства, породившего все остальные – протист. Наиболее вероятным считается, что эвкарии, точнее эукариотная клетка, – плод симбиоза нескольких видов бактерий и архебактерий. То есть две формы жизни, разделившись, потом опять слились, породив третью. Об этом мы ещё поговорим чуть позже, а пока скажем несколько слов об ещё одной группе, скажем так, органических комплексов – о вирусах.
image l:href="#"
Современные представления о систематике царств и доменов
Вирусы, на первый взгляд, не имеют ничего общего с другими живыми существами и находятся, строго говоря, между миром живых организмов и миром минералов. Обычно их вообще не включают в систему классификации живых существ. Вопрос – почему не считать их седьмым царством? Дело в том, что вирусы, о которых мы расскажем чуть поподробней в следующей главе, по всей вероятности, произошли из каким–то образом получивших независимость «кусков» нормальных клеток, причем клеток представителей всех трёх доменов.
Беспризорники
Строго говоря, вирус не более живой, чем какой–нибудь антибиотик или органический яд, которые вмешиваются в биохимические реакции наших клеток и заставляют их выделывать нечто непотребное. Вирусы могут даже кристаллизоваться, что живому организму совершенно не свойственно. Разница лишь в том, что токсины, блокируя одни реакции и вызывая другие, ведут себя в живой клетке как слон в посудной лавке, а вирус заставляет эту клетку производить собственные копии. Причем если одни вирусы в конце концов разрушают клетку или заставляют её выделять вредные вещества, то множество других ведет себя в клетке довольно прилично. Состоят вирусы из молекулы ДНК или РНК и белковой оболочки, которая может включать несколько десятков белковых молекул, а может – и несколько тысяч. У некоторых, особо изощренных, в состав оболочки могут входить липиды. Клетка, в которую проникают вирусы, забывает о своих обязанностях и начинает синтезировать совсем другие белки и нуклеиновые кислоты, штампуя новые вирусы. В результате вирусы вызывают самые разнообразные заболевания, от насморка до бешенства, СПИДа
и некоторых форм рака. Но, между прочим, даже от вирусов есть польза. Поскольку они умеют профессионально встраиваться в геном посторонних организмов, их используют для «пересадки генов» в генной инженерии.image l:href="#"
Вирус табачной мозаики
Первая задача вируса – попасть в клетку хозяина. Для этого оболочка вируса связывается с определенным участком на плазматической мембране клетки и «заставляет» эту мембрану впустить вирус внутрь. Вопрос решается чисто биохимически – происходит определенная реакция. Поэтому вирус может проникнуть не во всякую клетку, у его оболочки должно быть «сродство» с определенным участком мембраны клетки–хозяина. Вирус может проникать в клетку целиком, а может оставить белковую оболочку снаружи. У некоторых вирусов, поражающих бактериальные клетки, дело проникновения поставлено ещё более основательно. Вирусы под названием бактериофаги имеют довольно сложную структуру и напоминают какого–то робота из мультиков. Они имеют головку, сидящую на толстой «рукоятке», которую называют хвостовым отростком. На конце отростка – шесть длинных нитей, напоминающих паучьи ножки. Ножки прикрепляются к клеточной стенке бактерии и подтягивают к ней все остальное сооружение, прижимая основание отростка к поверхности клетки. Затем отросток сокращается, впрыскивая, как шприц, внутрь бактерии нить ДНК. Пустой белковый «скафандр» остается снаружи, а вирусная ДНК принимается за свое черное дело.
image l:href="#"
Бактериофаг:I – общий вид вирусной частицы; 2 – проникновение ДНК вируса в клетку
Механизм действия вирусов на клетку сложен и у разных типов вирусов отличается. Но принцип всегда один и тот же – генетическая программа вируса подменяет часть клеточных программ, и клетка начинает синтезировать совершенно не нужные ей белки и нуклеиновые кислоты и собирать из них новые и новые вирусы. Некоторые вирусы заставляют клетку синтезировать не только то, что нужно для их сборки, но и ферменты, которые эту клетку разрушают. Клетка кончает жизнь самоубийством, чтобы новое поколение вирусов могло свободно выбраться наружу. Метаболизм клетки изменяется иногда таким образом, что это выходит боком не столько ей самой, сколько всем окружающим. Некоторые совершенно безобидные для нас бактерии, будучи инфицированы определенными вирусами, становятся смертельно опасными. Однако вирусы могут также перетаскивать от одних бактерий к другим гены, определяющие всякие полезные для этих бактерий свойства.
image l:href="#"
Развитие вируса в клетке (схема):/ – прикрепление вируса к мембране клетки; 2 – нуклеиновая кислота вируса; 3 – белковая оболочка вируса; 4 – белки вируса, синтезированные клеткой; 5 – новые вирусные частицы покидают клетку; 6 – ДНК клетки
Что такое вирусы – мы в двух словах рассказали. А вот откуда они взялись? Среди неспециалистов довольно широко распространено даже не убеждение, а некое смутное ощущение, что вирусы, стоящие на грани живого и неживого, это некий прообраз первых форм жизни. На самом деле – ничего подобного. Вирусы – продукт весьма продвинутых созданий, стоящих на высокой ступени эволюционного развития. Предполагается, что вирусы – это куски генома вполне добропорядочных клеточных организмов, прокариот и эукариот, утерянные в результате различных несчастных случаев. Некоторые из этих беспризорных обрывков генома оказались способными, встретившись с благополучной здоровой клеткой, «втираться в доверие» дружной семьи макромолекул. По–видимому и сейчас из хромосом и матричной РНК различных организмов продолжают возникать новые типы вирусов. Однако главный источник новых вирусов – все же изменения старых. Вирусы способны мутировать ничуть не хуже клеточных организмов. Кроме того, захватывая или теряя куски генома, а у вирусов с этим делом довольно просто, они также способны приобретать новые свойства.
Блеск и нищета прокариот
А теперь вернемся к прокариотам. Хотя эубактерии и архебактерии, как выяснилось#! две большие разницы, но по строению клетки, размножению и образу жизни многие из них необыкновенно похожи. Точнее – представители обоих доменов проявляют одинаковое разнообразие. Недаром, чтобы понять, что это очень разные формы жизни, пришлось углубляться в молекулярное строение и особенности обмена этих существ. Поэтому для начала мы расскажем об общих чертах прокариот. Размер большинства этих существ – около одного микрона. То есть на миллиметровом делении линейки можно уложить около тысячи прокариот. Прокариота – клетка, но клетка примитивная, гораздо более примитивная, чем любая клетка нашего с вами организма. Как и у всякой клетки, у прокариоты имеется плазматическая мембрана – это такая хитрая пленка, которая не дает содержимому клетки растекаться, обеспечивает поступление в клетку одних веществ и удаление других, и кроме всего прочего служит местом протекания множества биохимических реакций. Плазматическая мембрана – вещь недостаточно прочная, и большинство прокариот одето поверх мембраны клеточной оболочкой. Оболочка также имеет сложный состав, и, как и мембрана, это не просто пузырь, предохраняющий клетку от различного рода неприятностей, подобно скорлупе созревшего ореха. Клеточная оболочка, скорее, похожа по своему назначению на кожу позвоночного. Она участвует в газообмене, в поглощении и выделении различных веществ; в клеточных оболочках часто идут процессы «пищеварения» бактериальной клетки – поглощение и ферментативная обработка питательных веществ. Поверх оболочки многие бактерии имеют ещё слизистую капсулу. Некоторые бактерии способны в неблагоприятных условиях отращивать особо толстую оболочку и «впадать в спячку». Такие «спящие» бактерии называются цистами. Другие создают внутри себя толстостенную капсулу, содержащую в «сжатом» виде копию материнской клетки. Это образование называется эндоспорой. В случае всякого рода неприятностей носители эндоспор гибнут, но сами споры могут сохранять жизнеспособность в самых невообразимых условиях десятки, сотни и даже тысячи лет, выжидая, пока судьба повернется к ним лицом.