Нужна ли жизни форма

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Вселенная есть дисимметрический ансамбль. Я полагаю, что жизнь в том виде, как мы ее знаем, должна быть функцией дисимметрии мира или следствий, из нее вытекающих. (Луи Пастер).

Цветок хризантемы или бабочка, осьминог или слон, клубничный лист и всевозможные деревья, собака или крокодил, жираф или раковина каури, человек, кит, скат манта, ромашка и т. д., и т. д. Такой список можно было бы продолжать бесконечно. Это все формы живого: архисложные и лаконичные, большие и маленькие, созданные в процессе эволюции недавно и давно. Что в них общего, по каким законам сооружаются эти необычные конструкции, изменятся ли они в будущем или останутся в общих чертах неизменными? Наконец, почему природа создает своих питомцев именно такими? Это лишь немногочисленные вопросы, которые интересуют не только нас с вами, но и ученых. Иначе зачем бы им изучать биоформы?

Давайте же оторвемся на минуту от важных дел и включимся в увлекательную охоту за формами (именно в охоту, ведь иную редкую форму приходится искать довольно долго). И это не будет простым любованием красотой линий, необычной геометрией, причудливыми очертаниями. Электронный глаз микроскопа и объектив фотоаппарата помогают исследователям вскрыть глубокие законы биологического мира. Ведь очень часто мы через форму познаем «содержание» живого.

Но для того, чтобы по-настоящему почувствовать его, этот загадочный мир, нужно спуститься этажом ниже и приступить к охоте не с увлекательных и красочных макроформ, с которых начался рассказ, а с представителей микромира. Именно тут мы и найдем начало «коллекции» законов, по которым строятся микро- и макроконструкции.

В поисках этих закономерностей и засняли специалисты многие тысячи кадров, и мы проследим за необычными превращениями, где микроформы, запечатленные объективом сканирующего электронного микроскопа с увеличениями в десятки тысяч раз, постепенно переходят в хорошо знакомые очертания биологических «макроконструкций». Эти незримые превращения весьма закономерны, ибо… Но обо всем по порядку.

Спираль

Спираль — по праву эта форма должна начать нашу коллекцию. Ведь спираль — поистине патриарх биологических конструкций, например, самая распространенная в живом мире форма (молекула ДНК) — не что иное, как изящная спираль.

И уже тут она проявляет некоторые из своих достоинств. Прежде всего, спираль весьма гибка. Как видно из фотографий, ее можно с легкостью сжать в плотную пружину или вытянуть в чуть змеящуюся ниточку. Причем и тут она останется спиралью. В тесноте микромира это крайне полезное качество. Оно облегчает процесс упаковки хромосомы (метровая ДНК компактно укладывается в «мешочек» — хромосому) и тем самым считывания информации. Спираль также играет роль «замка» при сплетении одинарных нитей ДНК. Каждый спиральный изгиб одной молекулы, как ключ в замок, входит в изгиб другой.

Спираль — одна из разновидностей симметрии, однако возникает она на базе асимметрии. Спираль — это по сути геодезическая кривая, то есть кривая, представляющая собой самый короткий путь между двумя точками на цилиндрической поверхности. В этом легко убедиться, если на прямоугольном листе бумаги начертить диагональную линию, соединяющую две точки в углах листа. Стоит скрутить лист в трубочку, как эта линия превращается в спираль.

Именно поэтому закономерно рождение спирали в биологическом мире сфер, шаров, цилиндров. Сосуды, нервы, волокна ткани, оплетающие сферы, цилиндры и шары выбирают самые экономичные и короткие пути, неизбежно при этом превращаясь в спирали.

Хоботок бабочки, червь, микротрубочки скелета клетки, волокна соединительной ткани, кровеносные сосуды, раковина, стебелек вьюнка… Вот лишь несколько из примеров спирали. Она и хранит информацию (ДНК), и помогает двигаться (змея, червь), и плотно «сшивает» соединительные ткани, и связывает отдаленные участки организма… Да всех ее полезных качеств просто не перечесть.

Шар

Шар — форма простая и вместе с тем не простая. И как ни странно, форму шара имеют чаще всего биологические объекты, связанные с экономией энергии. Шар — это клетка, водоросли, лимфоциты, яблоко, апельсин, морской еж и т. д., и т. д. И все дело в том, что шар экономичен, у него самая малая поверхность при самом большом объеме; таким образом, клетка, имеющая шарообразную форму, более бережлива, чем клетка кубическая или прямоугольная. К тому же шар как биологическая форма крайне лабилен, он может превращаться без особого вреда для себя и в блин, и в эллипсоид, тем самым приспосабливаясь к трудным или необычным окружающим условиям. Да и материала на шаровую оболочку уходит много меньше, чем на какую-нибудь другую, что немаловажно для экономичного строительства…

Пятигранник или шестигранник

Пятигранник или шестигранник по своим очертаниям напоминают скорее «мертвую» кристаллическую форму, но это далеко не так, ведь именно пятигранники, прекрасно снабжают наш организм кровью.

На фото — кровеносные сосуды, организованные в пятигранники. На такие микро-участки, как показывают современные исследования, разбита практически вся ткань нашего организма. Такое снабжение кровью и питательными веществами, по-видимому, самое выгодное. Подобная симметрия всегда возникает в случае концентрации в ограниченном объеме элементов относительно одинаковой формы, например шаров. Так, при возрастании в клетке количества пиноцитозных пузырьков (с их помощью переносятся питательные вещества) характер их распределения на поверхности мембраны клетки будет приближаться к генто-, а затем гексогональной симметрии.

Таким образом, можно сказать, что пятигранники и шестигранники — форма, во многом зависимая от «первичного» шара или сферы. Когда в последние две фигуры вписывается новая конструкция, она часто невольно приобретает пяти- и шестигранную форму.

Труба

«Труба» — также крайне важная форма. У нее две основные функции: труба — это транспортное русло (сосуды, нервы и т. д.) и прекрасное «крепление» (ствол бамбука, различные ткани, стебель травы).

Дерево

«Дерево» — также одна из наиболее распространенных форм, так, оно незаменимо для снабжения организма кровью и питательными веществами. Дерево на макроуровне (обычное дерево, без кавычек) выполняет ту же функцию — захватывает как можно большее количество пространства и через трубы сосудов-капилляров снабжает себя энергией. Ту же роль играет и подземное древо корневой системы. Даже цветок использует модель дерева, его лепестки, словно ветви, не затемняют друг друга…

Звезда

«Звезда» — по существу та же разновидность Дерева, но ее отростки могут одновременно играть и роль ног.

Вот лишь некоторые из типичных форм, лежащих в основе многообразия живого. Как видно из нашей коллекции, модели форм из микромира переходят в макромир. Почему же шар, спираль, дерево, пяти- и шестигранники, звезды так широко распространены в природе? Почему жизнь в своем развитии, выбрав несколько форм, с поразительным упорством повторяет их на разных уровнях?

Скорее всего, они попросту наиболее удобны, так как одновременно отвечают многим требованиям. Молекула ДНК хороша для считывания информации, труба, шар, «дерево», «звезда» транспортируют питательные вещества, берегут энергию, помогают передвигаться, укрепляют ткани. Вероятно, из-за этого последовательность удивительного повтора форм можно проследить не только в пространстве (микро-, макро-), но и во времени — через миллиарды лет эволюции живого мира. Формы-патриархи за время эволюции несколько видоизменялись, но сохранили свою сущность.

Все та же спираль наследственности лежит в основе живой материи. Самые первые из обитателей Земли имели в себе молекулы ДНК, потом эта форма повторяется на макроуровнях, например, в форме какой-нибудь ископаемой раковины мелового периода, в очертаниях древнего цветка и т. п. Таким образом, эти формы поразительно устойчивы не только на разных уровнях, но и во времени. Они играют роль своеобразных археформ.

Шар, спираль, кольцо, «дерево», «труба», по всей видимости, лишь те формы, которые из обычных форм стали «архе», то есть прошли школу естественного отбора и сохранились до наших дней. Причем, по мнению некоторых исследователей, первичный отбор (прежде чем выйти на широкие просторы видимого мира и стать гигантскими макроконструкциями) такие формы могли проходить именно в микромире. Речь идет, таким образом, о микромире как полигоне, на котором испытывались самые разнообразные археформы, прежде чем они получили «путевку в жизнь». (Ведь обкатка на микроуровне требует меньше материалов и затрат. Грубо говоря, бактерию построить легче, чем ежа.) К тому же трудно предположить, что природа сразу, без естественного отбора нашла оптимальные археформы.

Эволюция одной из старейших археформ — двойной спирали, бесспорно, началась именно в микромире. Самые первые шары, — видимо, не что иное, как доисторические бактерии, водоросли или вирусы, первые кольца, быть может, это молекулы плазмид, кольцевых ДНК, которые чрезвычайно распространены в живом мире…

Как вы, наверное, уже заметили, у всех приведенных в нашей коллекции форм есть еще одна особенность — они асимметричны в отличие от симметричных форм, например, кристаллов мертвой природы. И над этим фактом тоже размышляют исследователи. Асимметрия в живом мире не случайна. Она нам даже нравится больше симметрии. Американские специалисты провели такой эксперимент: испытуемым показывали фотографии человеческих лиц относительно симметричных и заметно асимметричных. Причем последние нравились людям заметно больше первых. Случайно? Вовсе нет. Ведь асимметрия в отличие от симметрии — основное свойство живого, тогда как симметрия — свойство мертвой материи. Больше того, можно сказать, что из асимметрии живого рождается все разнообразие биологических форм. Ведь все клетки, если их рассматривать вне живой ткани, примерно одинаковой формы — круглой, продолговатой и т. д. Казалось, из них можно построить, скажем, прямоугольный «дом» или сложить идеально ровный куб, но никак не сконструировать крыло стрекозы или щупальце осьминога…

А природа с легкостью справляется с этой задачей. И все дело в том, что кирпичики, из которых складываются живые конструкции, в ткани приобретают асимметричную форму. То есть набор их становится столь разнообразным — нет практически ни одного одинакового, симметричного,— что можно построить здание самой разнообразной архитектуры.

Складывается впечатление, будто природа в своей деятельности создала не очень большой набор уникальных кирпичиков (археформ), чтобы затем из них вылепить сложнейшие живые конструкции…

Автор: С. Жемайтис, В. Миронов.