Чи потрібна життю форма

Всесвіт це дисимметричний ансамбль. Я вважаю, що життя в тому вигляді, як ми його знаємо, повинно бути функцією дисиметрії світу або наслідків, що з неї випливають. (Луї Пастер).

Квітка хризантеми або метелик, восьминіг або слон, полуничний лист і всілякі дерева, собака або крокодил, жираф або раковина каурі, людина, кит, скат манта, ромашка і т.д., і т. д. такий список можна було б продовжувати нескінченно. Це все форми живого: архіскладні і лаконічні, великі і маленькі, створені в процесі еволюції недавно і давно. Що в них спільного, за якими законами споруджуються ці незвичайні конструкції, чи зміняться вони в майбутньому або залишаться в загальних рисах незмінними? Нарешті, чому природа створює своїх дітей саме такими? Це лише нечисленні питання, які цікавлять не тільки нас з вами, але і вчених. Інакше навіщо б їм вивчати біоформи?

Давайте ж відірвемося на хвилину від важливих справ і включимося в захоплююче полювання за формами (саме в полювання, адже деяку рідкісну форму доводиться шукати досить довго). І це не буде простим милуванням красою ліній, незвичайною геометрією, химерними обрисами. Електронне око мікроскопа і об’єктив фотоапарата допомагають дослідникам розкрити глибокі закони біологічного світу. Адже дуже часто ми через форму пізнаємо «зміст» живого.

Але для того, щоб по-справжньому відчути його, цей загадковий світ, потрібно спуститися поверхом нижче і приступити до полювання не з захоплюючих і барвистих макроформ, з яких почалася розповідь, а з представників мікросвіту. Саме тут ми і знайдемо початок «колекції» законів, за якими будуються мікро – і макроконструкції.

У пошуках цих закономірностей і зняли фахівці багато тисяч кадрів, і ми простежимо за незвичайними перетвореннями, де мікроформи, відображені об’єктивом скануючого електронного мікроскопа зі збільшеннями в десятки тисяч разів, поступово переходять в добре знайомі обриси біологічних «макроконструкцій». Ці незримі перетворення вельми закономірні, бо… Але про все по порядку.

Спіраль

Спіраль – по праву ця форма повинна почати нашу колекцію. Адже спіраль – воістину патріарх біологічних конструкцій, наприклад, найпоширеніша в живому світі форма (молекула ДНК) – не що інше, як витончена спіраль.

І вже тут вона проявляє деякі зі своїх переваг. Перш за все, спіраль досить гнучка. Як видно з фотографій, її можна з легкістю стиснути в щільну пружину або витягнути в зміїну ниточку. Причому і тут вона залишиться спіраллю. У тісноті мікросвіту це вкрай корисна якість. Вона полегшує процес упаковки хромосоми (метрова ДНК компактно укладається в «мішечок» — хромосому) і тим самим зчитування інформації. Спіраль також грає роль «замку» при сплетінні одинарних ниток ДНК. Кожен спіральний вигин однієї молекули, як ключ в замок, входить у вигин іншої.

Спіраль – один з різновидів симетрії, проте виникає він на базі асиметрії. Спіраль – це по суті геодезична крива, тобто крива, що представляє собою найкоротший шлях між двома точками на циліндричній поверхні. У цьому легко переконатися, якщо на прямокутному аркуші паперу накреслити діагональну лінію, що з’єднує дві точки в кутах листа. Варто скрутити лист в трубочку, як ця лінія перетворюється в спіраль.

Саме тому закономірно народження спіралі в біологічному світі сфер, куль, циліндрів. Судини, нерви, волокна тканини, обплітаючи сфери, циліндри і кулі вибирають найекономічніші і найкоротші шляхи, неминуче при цьому перетворюючись в спіралі.

Хоботок метелика, черв’як, мікротрубочки скелета клітини, волокна сполучної тканини, кровоносні судини, раковина, стеблинка в’юнка… Ось лише кілька з прикладів спіралі. Вона і зберігає інформацію (ДНК), і допомагає рухатися (змія, черв’як), і щільно «зшиває» сполучні тканини, і пов’язує віддалені ділянки організму… Та всіх її корисних якостей просто не перелічити.

Куля

Куля – форма проста і разом з тим не проста. І як не дивно, форму кулі мають найчастіше біологічні об’єкти, пов’язані з економією енергії. Куля – це клітина, водорості, лімфоцити, яблуко, апельсин, морський їжак і т.д., і т. д. і вся справа в тому, що куля економічна, у неї найменша поверхня при найбільшому обсязі; таким чином, клітина, що має кулясту форму, більш ощадлива, ніж клітина кубічна або прямокутна. До того ж куля як біологічна форма вкрай лабільна, вона може перетворюватися без особливої шкоди для себе і в млинець, і в еліпсоїд, тим самим пристосовуючись до важких або незвичайних навколишніх умов. Та й матеріалу на кульову оболонку йде багато менше, ніж на якусь іншу, що важливо для економічного будівництва…

П’ятигранник або шестигранник

П’ятигранник або шестигранник за своїми обрисами нагадують швидше «мертву» кристалічну форму, але це далеко не так, адже саме п’ятигранники, прекрасно постачають наш організм кров’ю.

На фото – кровоносні судини, організовані в п’ятигранники. На такі мікро-ділянки, як показують сучасні дослідження, розбита практично вся тканина нашого організму. Таке постачання кров’ю і поживними речовинами, мабуть, найвигідніше. Подібна симетрія завжди виникає в разі концентрації в обмеженому обсязі елементів щодо однакової форми, наприклад куль. Так, при зростанні в клітині кількості піноцитозних бульбашок (з їх допомогою переносяться поживні речовини) характер їх розподілу на поверхні мембрани клітини буде наближатися до генто-, а потім гексогональної симетрії.

Таким чином, можна сказати, що п’ятигранники і шестигранники — форма, багато в чому залежна від «первинної» кулі або сфери. Коли в останні дві фігури вписується нова конструкція, вона часто мимоволі набуває п’яти – і шестигранну форму.

Труба

“Труба” – також вкрай важлива форма. У неї дві основні функції: труба – це транспортне русло (судини, нерви і т. д.) і прекрасне «кріплення» (стовбур бамбука, різні тканини, стебло трави).

Дерево

“Дерево” – також одна з найбільш поширених форм, так, воно незамінне для постачання організму кров’ю і поживними речовинами. Дерево на макрорівні (звичайне дерево, без лапок) виконує ту ж функцію — захоплює якомога більшу кількість простору і через труби судин-капілярів постачає себе енергією. Ту ж роль відіграє і підземне древо кореневої системи. Навіть квітка використовує модель дерева, її пелюстки, немов гілки, не затемнюють один одного…

Зірка

“Зірка” – по суті то же різновид Дерева, але її відростки можуть одночасно грати і роль ніг.

Ось лише деякі з типових форм, що лежать в основі різноманіття живого. Як видно з нашої колекції, моделі форм з мікросвіту переходять в макросвіт. Чому ж куля, спіраль, дерево, п’яти – і шестигранники, зірки так широко поширені в природі? Чому життя в своєму розвитку, вибравши кілька форм, з вражаючою завзятістю повторює їх на різних рівнях?

Швидше за все, вони просто найбільш зручні, так як одночасно відповідають багатьом вимогам. Молекула ДНК хороша для зчитування інформації, труба, куля, «дерево», «зірка» транспортують поживні речовини, бережуть енергію, допомагають пересуватися, зміцнюють тканини. Ймовірно, через це послідовність дивного повтору форм можна простежити не тільки в просторі (мікро-, макро-), але і в часі — через мільярди років еволюції живого світу. Форми-патріархи за час еволюції дещо видозмінювалися, але зберегли свою сутність.

Все та ж спіраль спадковості лежить в основі живої матерії. Найперші з мешканців Землі мали в собі молекули ДНК, потім ця форма повторюється на макрорівнях, наприклад, у формі якої-небудь викопної раковини крейдяного періоду, в обрисах стародавньої квітки і т.п. Таким чином, ці форми разюче стійкі не тільки на різних рівнях, але і в часі. Вони грають роль своєрідних археформ.

Куля, спіраль, кільце, «дерево», «труба», по всій видимості, лише ті форми, які зі звичайних форм стали «архе», тобто пройшли школу природного відбору і збереглися до наших днів. Причому, на думку деяких дослідників, первинний відбір (перш ніж вийти на широкі простори видимого світу і стати гігантськими макроконструкціями) такі форми могли проходити саме в мікросвіті. Йдеться, таким чином, про мікросвіт як полігон, на якому випробовувалися найрізноманітніші археформи, перш ніж вони отримали «путівку в життя». (Адже обкатка на мікрорівні вимагає менше матеріалів і витрат. Грубо кажучи, бактерію побудувати легше, ніж їжака.) До того ж важко припустити, що природа відразу, без природного відбору знайшла оптимальні археформи.

Еволюція однієї з найстаріших археформ — подвійної спіралі, безперечно, почалася саме в мікросвіті. Найперші кулі, – мабуть, не що інше, як доісторичні бактерії, водорості або віруси, перші кільця, можливо, це молекули плазмід, кільцевих ДНК, які надзвичайно поширені в живому світі…

Як ви, напевно, вже помітили, у всіх наведених в нашій колекції форм є ще одна особливість – вони асиметричні на відміну від симетричних форм, наприклад, кристалів мертвої природи. І над цим фактом теж розмірковують дослідники. Асиметрія в живому світі не випадкова. Вона нам навіть подобається більше симетрії. Американські фахівці провели такий експеримент: випробуваним показували фотографії людських облич симетричних і помітно асиметричних. Причому останні подобалися людям помітно більше перших. Випадково? Зовсім ні. Адже асиметрія на відміну від симетрії — основна властивість живого, тоді як симетрія — властивість мертвої матерії. Більше того, можна сказати, що з асиметрії живого народжується все розмаїття біологічних форм. Адже всі клітини, якщо їх розглядати поза живої тканини, приблизно однакової форми — круглої, довгастої і т.д. здавалося, з них можна побудувати, скажімо, прямокутний «будинок» або скласти ідеально рівний куб, але ніяк не сконструювати крило метелика або щупальце восьминога…

А природа з легкістю справляється з цим завданням. І вся справа в тому, що цеглинки, з яких складаються живі конструкції, в тканині набувають асиметричну форму. Тобто набір їх стає настільки різноманітним – немає практично жодного однакового, симетричного — що можна побудувати будівлю найрізноманітнішої архітектури.

Складається враження, ніби природа у своїй діяльності створила не дуже великий набір унікальних цеглинок (археформ), щоб потім з них виліпити найскладніші живі конструкції…

Автор: С. Жемайтіс, В. Миронов.