Текст книги "Краткая история биологии"

Автор книги: Айзек Азимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 13 страниц)

Начала биохимии

Разумеется, тело можно считать механизмом, и не прибегая к аналогиям с рычагами и приводами, а происходящие в организме процессы можно объяснить не только физическим, но и химическим взаимодействием.

Первые химические эксперименты на живых организмах провел голландский естествоиспытатель Иоганн Баптист Ван-Гельмонт (1577–1644), современник Гарвея. Ван-Гельмонт выращивал иву в сосуде с определенным количеством почвы. Через пять лет, на протяжении которых он регулярно поливал иву только водой, вес дерева увеличился на 73 килограмма, а земля потеряла только 57 граммов. Исходя из этого, Ван-Гельмонт пришел к выводу, что дерево черпает нужные ему вещества не из почвы (совершенно верно), а из воды (неверно, по крайней мере частично). Его ошибка заключалась в том, что он не принял в расчет воздуха, – злая ирония судьбы, ибо именно Ван-Гельмонт первым стал изучать газообразные вещества. Это ему принадлежит слово «газ», он открыл так называемый «лесной дух», который впоследствии оказался не чем иным, как углекислым газом – основным источником жизни растений.

Работы Ван-Гельмонта в области химии живых организмов (или, как мы ее теперь называем, биохимии) получили дальнейшее развитие в трудах других исследователей. Одним из первых энтузиастов биохимии был Франциск де ла Боэ (1614–1672), известный под латинизированным именем Сильвия. Представление об организме как о химическом аппарате он довел до крайности; так, по его словам, пищеварение – чисто химический процесс, действие которого сходно с химическими изменениями, происходящими во время брожения (в этом он оказался прав). Далее он предположил, что правильное функционирование организма зависит от баланса химических компонентов тела; болезнь – это результат либо избыточного, либо недостаточного содержания в организме кислоты. Это утверждение Сильвия в какой-то мере справедливо. Однако наука в его время была еще на таком низком уровне, что дальше этих предположений он пойти не смог.

Появление микроскопа

Наиболее уязвимым местом в теории кровообращения Гарвея было то обстоятельство, что ему так и не удалось обнаружить связи между артериями и венами. Он лишь предположил, что подобное соединение существует, но вследствие малых размеров соединяющих сосудов не видно глазу. К концу жизни Гарвея вопрос все еще оставался нерешенным, и так могло бы продолжаться вечно, если бы человечество полагалось только на невооруженный глаз.

Еще в древности люди знали, что кривые зеркала и стеклянные шары, наполненные водой, обладают свойствами увеличивать предметы. В попытках добиться наибольшего увеличения исследователи уже в начале XVII в. обратились к линзам. Их вдохновляли удачные исследования, проводимые при помощи телескопа, оптического инструмента, впервые примененного Галилеем для астрономических наблюдений еще в 1609 г.

Постепенно увеличительные приборы, или микроскопы (в переводе с греческого «видеть малое»), вошли в употребление, и биология необычайно расширила область своих наблюдений. Микроскоп позволил натуралистам детально описывать мелкие живые существа, а анатомам – обнаруживать невидимые глазу структуры. Выдающимся анатомом-микроскопистом был голландский натуралист Ян Сваммердам (1637–1680). Особую известность получили его анатомические исследования насекомых, выполненные с превосходными детальными зарисовками. Сваммердаму принадлежит открытие взвешенных в крови мельчайших клеток, которые придают ей красный цвет. (Теперь они известны под названием эритроцитов, или красных кровяных телец.) Английский ботаник Неемия Грю (1641–1712) изучал под микроскопом строение растений; особенно его интересовали органы размножения. Ему удалось описать строение отдельных зерен пыльцы. Голландский анатом Ренье Грааф (1641–1673) проводил аналогичные исследования на животных. Он изучал тонкое строение семенников и яичников и, в частности, дал описание пузырьковидных образований в яичнике, которые до сих пор называются граафовыми пузырьками (фолликулами).

Но самым выдающимся было открытие итальянского физиолога Марчелло Мальпиги (1628–1694). Исследуя легкие лягушки, он обнаружил сложную сеть мельчайших кровеносных сосудов. Проследив слияние мелких сосудов в более крупные, Мальпиги установил, что последние оказывались в одном случае венами, а в другом – артериями.

Оправдалось предположение Гарвея: артерии и вены действительно соединены сетью сосудов, настолько мелких, что их невозможно увидеть невооруженным глазом. Эти микроскопические сосуды получили название капилляров (от латинского capillaris – волосной, хотя в действительности они гораздо тоньше волоса). Это открытие, окончательно утвердившее теорию кровообращения Гарвея, было сделано в 1661 г., через четыре года после смерти великого английского ученого.

Однако прославил микроскопию не Мальпиги, а голландский купец Антони Левенгук (1632–1723), для которого микроскоп был всего лишь любимым развлечением.

Ранние микроскописты, в том числе и Мальпиги, пользовались системой линз, которые, как они справедливо полагали, должны были давать большее увеличение, нежели одна линза. Однако их линзы были еще несовершенными, с неровными поверхностями и внутренними трещинами. При попытке получить большее увеличение детали становились расплывчатыми.

Левенгук пользовался простыми линзами очень малых размеров. Изготавливались они из безупречного стекла. Он скрупулезно шлифовал стекла, до тех пор пока не добился четкого увеличения до 200 раз. В некоторых случаях размер линз не превышал булавочной головки, тем не менее они великолепно служили целям любознательного голландца.

С помощью линз Левенгук наблюдал все, что попадало ему под руку. Он без труда следил за движением крови в капиллярах головастика и смог описать красные кровяные тельца и капилляры гораздо подробнее и точнее, чем их первооткрыватели Сваммердам и Мальпиги. Один из его помощников первым увидел сперматозоиды – маленькие, похожие на головастиков тельца в сперме.

Но самое удивительное открытие Левенгук сделал, рассматривая каплю воды из канавы. Он обнаружил в ней мельчайшие создания, обладавшие тем не менее всеми признаками жизни. Эти анималькули (так их назвал Левенгук) теперь известны как простейшие. Таким образом, усовершенствованный микроскоп позволил обнаружить в природе не только мельчайшие объекты, но и микроскопические живые существа. Взгляду пораженных исследователей открылся богатейший неведомый мир. Так было положено начало микробиологии(изучению живых организмов, невидимых невооруженным глазом).

В 1683 г. Левенгук обнаружил создания еще мельче простейших. Хотя его описание весьма расплывчато и поэтому не может служить доказательством, вполне вероятно, что Левенгук впервые в истории человечества увидел то, что позднее получило название бактерий.

Единственным открытием той эпохи, которое могло сравниться с исследованиями Левенгука, по крайней мере по его значимости для будущих исследований, было открытие английского ученого Роберта Гука (1635–1703). Усовершенствования, внесенные им в микроскоп, позволили выполнить ряд тонких научных экспериментов. В 1665 г. он опубликовал книгу «Микрография», в которой можно найти великолепные зарисовки микроскопических объектов. Наибольший интерес представляло изучение строения пробки, показавшее, что она состоит из массы маленьких прямоугольных камер, названных Гуком клетками. Это открытие имело важные последствия.

В течение XVIII в. микроскопия переживала период упадка: эффективность прибора достигла предела. Лишь в 1773 г., почти через 100 лет после первых наблюдений Левенгука, датскому зоологу Отто Фредерику Мюллеру (1730–1784) удалось настолько хорошо рассмотреть бактерии, что он смог описать очертания и формы нескольких из них.

Один из недостатков ранних микроскопов заключался в том, что в линзах происходило разложение белого света на составляющие цвета. Небольшие предметы были окружены цветными кольцами (так называемая хроматическая аберрация), и поэтому мелкие детали трудно было разобрать. Примерно в 1820 г. был изобретен ахроматический микроскоп, не дававший цветных колец. Этим объясняется тот факт, что именно в XIX столетии микроскоп помог проложить путь к новым удивительным достижениям в биологии.

Глава IV
Классификация живых форм

Самопроизвольное зарождение

Открытия, сделанные с помощью микроскопа в середине XVII столетия, на первый взгляд стирали различия между живой и неживой материей. И на повестку дня снова встал, казалось бы, уже почти решенный вопрос о происхождении жизни или по крайней мере наиболее простых ее форм.

Еще не так давно признавалось возникновение из гнилого мяса или других отбросов существ, подобных червям или насекомым. Такое «появление» живого из неживого называли самопроизвольным зарождением. Классическим примером его считалось появление личинок мух в гниющем мясе. Этот факт признавали тогда почти все биологи. И только Гарвей в своем трактате о кровообращении высказал предположение, что такие мелкие живые существа рождаются из цист или яиц, неразличимых невооруженным глазом (естественно, что биолог, постулировавший существование невидимых глазу сосудов, мог прийти и к этому выводу).

Итальянский врач Франческо Реди (1626–1698), проникшись идеей Гарвея, в 1668 г. провел следующий эксперимент. Он поместил в восемь сосудов по куску сырого мяса, четыре сосуда запечатал, а четыре оставил открытыми. Мухи могли садиться только на мясо в открытых сосудах, и именно там появились личинки. Реди повторил эксперимент, не запечатывая некоторых сосудов, а только накрыв их марлей. И при свободном доступе воздуха на защищенном от мух мясе личинки не развивались.

Теперь, казалось бы, биологическая мысль могла окончательно освободиться от представления о самопроизвольном зарождении. Однако значение эксперимента Реди было несколько ослаблено открытием Левенгука, который в те же годы установил существование простейших организмов. Пришлось признать, что мухи и личинки все-таки довольно сложные организмы, хотя и кажутся простыми по сравнению с человеком. Возникала мысль, что простейшие, по величине не превышающие мушиные яйца, образуются путем самопроизвольного зарождения. А доказательством служил тот факт, что при выдерживании питательных экстрактов, не содержавших простейших, в них все-таки появлялись многочисленные крошечные существа. Вопрос о самопроизвольном зарождении становился частью более общего спора, принявшего в XVIII и XIX столетиях особенно острый характер, – спора между виталистами и материалистами.

Философию витализма четко сформулировал немецкий врач Георг Эрнст Шталь (1660–1734). Он приобрел известность главным образом как автор теории флогистона – субстанции, которая, полагал он, содержится в веществах, способных гореть или ржаветь, подобно дереву или железу. При сгорании дерева или коррозии железа, говорил Шталь, флогистон переходит в воздух. Пытаясь объяснить, почему при коррозии металлов их вес увеличивается, некоторые химики наделяли флогистон неким «отрицательным весом». Теория флогистона считалась общепринятой на протяжении всего XVIII столетия.

Надо сказать, что в объемистых трудах Шталя, особенно в его книге по медицине, опубликованной в 1707 г., содержались и важные мысли по физиологии. Шталь решительно заявил, что живые организмы подчиняются законам совершенно иного типа, чем физические, а изучение химии и физики неживой природы не способствует успехам биологии. Противником этой точки зрения был голландский врач Герман Бургав (1668–1738), самый известный медик того времени (его называли голландским Гиппократом). В труде по медицине, подробно разбирая строение человека, Бургав пытался показать, что человеческое тело во всех своих проявлениях подчиняется именно физическим и химическим законам.

Для материалистов, считавших, что живой и неживой природой управляют одни и те же законы, микроорганизмы представляли особый интерес, являясь как бы своеобразным мостом между живым и неживым. Если бы удалось доказать, что микроорганизмы образуются из неживой материи, мост был бы достроен. Следует заметить, что последовательные виталисты начисто отрицали возможность самопроизвольного зарождения. По их мнению, даже между самыми простыми формами жизни и неодушевленной природой существует непреодолимый разрыв. Однако на протяжении всего XVIII столетия позиции виталистов и материалистов в отношении самопроизвольного зарождения еще не были четко разделены, так как определенную роль играли здесь и религиозные соображения. Порою виталистам, обычно более консервативным в вопросах религии, приходилось поддерживать идею о развитии живого из неживого, поскольку о самопроизвольном зарождении упоминала Библия. К такому заключению пришел в 1748 г. английский натуралист и к тому же католический священник Джон Тербервил Нидхем (1713–1781). Проделанный им эксперимент был очень прост: Нидхем вскипятил бараний бульон, налил его в пробирку и закрыл пробкой, а через несколько дней обнаружил, что бульон кишит микробами. Так как, по мнению Нидхема, предварительное нагревание стерилизовало жидкость, то микробы образовывались из неживой материи, и самопроизвольное зарождение, по крайней мере для микробов, можно было считать доказанным.

Скептически отнесся к этому эксперименту итальянский биолог Ладзаро Спалланцани (1729–1799), который предположил, что в опыте Нидхема продолжительность нагревания была недостаточной для стерилизации. Спалланцани закупорил колбу с питательным бульоном, кипевшим в течение 30–45 минут, – микроорганизмы не появились.

Казалось бы, это решало спор, но приверженцы самопроизвольного зарождения все же нашли лазейку. Они объявили, что источник жизни, нечто неведомое и невоспринимаемое, содержится в воздухе и передает жизнеспособность неодушевленным телам. Кипячение, проведенное Спалланцани, говорили они, разрушило этот жизненный источник. И в течение почти всего следующего столетия этот вопрос вызывал сомнения и споры.

Расположение видов в системе

Спор по поводу самопроизвольного зарождения был в известном смысле спором о классификации явлений: навеки отделить живое от неживого или допустить ряд переходов. В XVII и XVIII веках предпринимались попытки классифицировать различные формы жизни, однако это привело к еще более серьезным противоречиям, достигшим кульминационной точки в XIX столетии.

Прежде всего единицей классификации как для растений, так и для животных является вид. Этот термин очень трудно точно определить. Грубо говоря, вид – это любая группа живых организмов, которые, свободно скрещиваясь друг с другом в природе, приносят подобное себе потомство, а оно в свою очередь производит последующее поколение и так далее. К примеру, люди при всех своих внешних различиях считаются представителями одного вида. В то же время индийский и африканский слоны при большом внешнем сходстве принадлежат к различным видам, так как при скрещивании не дают потомства.

В списке Аристотеля насчитывалось около пятисот видов животных, а Теофраст описал столько же видов растений. Однако за прошедшие с тех пор два тысячелетия количество известных видов животных и растений весьма возросло, особенно после открытия новых континентов, когда на исследователей обрушился целый поток сообщений о растениях и животных, неизвестных натуралистам классической древности. К 1700 г. были описаны десятки тысяч видов растений и животных.

В любом, даже ограниченном перечне очень заманчиво сгруппировать сходные виды. Так, например, вполне естественно поставить рядом два вида слонов. Но разработать единую систему для десятков тысяч видов оказалось нелегко. Первая попытка в этом направлении принадлежит английскому натуралисту Джону Рею (1628–1705).

В трехтомном труде «История растений» (1686–1704) Рей дал описание всех известных в то время видов растений (18 600). В другой книге, «Систематический обзор животных…» (1693), Рей предложил свою классификацию животных, применив принцип объединения видов по совокупности внешних признаков, главным образом по наличию когтей и зубов. Так, он разделил млекопитающих на две большие группы: животных с пальцами и животных с копытами. Копытные в свою очередь были разделены на однокопытных (лошадь), двукопытных (крупный рогатый скот) и трехкопытных (носорог). Двукопытных он вновь разделил на три группы: к первой относились жвачные животные с несбрасываемыми рогами (например, козы), ко второй – жвачные с ежегодно сбрасываемыми рогами (олени) и к третьей – нежвачные животные.

Классификация Рея была еще очень несовершенна, но принцип, положенный в ее основу, получил дальнейшее развитие в трудах шведского натуралиста Карла Линнея (1707–1778). К тому времени число известных видов составляло минимум 70 000. Проехав в 1732 г. по северной части Скандинавского полуострова, не отличающейся особенно благоприятными условиями для процветания флоры и фауны, Линней за короткое время обнаружил около ста новых видов растений.

Еще в студенческие годы Линней изучал органы размножения растений, отмечая их видовые различия. Позднее на этой основе он построил свою систему классификации. В 1735 г. Линней опубликовал книгу «Система природы», в которой изложил созданную им систему классификации растительного и животного мира, явившуюся предшественницей современной. Именно Линней считается основателем таксономии(или систематики), изучающей классификацию видов живых форм.

Рис. 1. Диаграмма, показывающая в нисходящем порядке основные группировки живых форм (от царства до вида).

Близкие виды Линней группировал в роды, близкие роды – в отряды, а близкие отряды – в классы. Все известные виды животных были сгруппированы в шесть классов: млекопитающие, птицы, рептилии, рыбы, насекомые и черви. Такое деление на классы было несколько хуже предложенного два тысячелетия назад Аристотелем, но зато несло в себе плодотворный принцип систематического деления. Недостатки системы позднее были легко устранены.

Каждый вид у Линнея имел двойное латинское название: первое слово в нем – название рода, к которому принадлежит вид, второе – видовое название. Форма биноминальной (двуименной) номенклатуры сохранилась до сих пор. Благодаря ей у биологов появился международный язык для обозначения живых форм, что позволило избавиться от многочисленных недоразумений. Даже виду «человек» Линней дал название, сохранившееся до наших дней, – Homo sapiens.

На подступах к теории эволюции

Классификация Линнея, в которой очень большие группы постепенно делились на все более мелкие, создает подобие разветвленного дерева, получившего позже название «древа жизни». При внимательном изучении этой схемы неизбежна мысль: случайна ли такая организация? Разве не могут в действительности два близких вида произойти от общего предка, а два близких предка – от еще более древнего и примитивного? Короче говоря, не могла ли картина, представленная Линнеем, возникнуть и развиваться на протяжении многих веков, подобно тому как растет дерево? Это предположение послужило причиной величайшего в истории биологии спора.

Для самого Линнея подобная мысль была невозможна. Ученый упорно стоял на том, что каждый вид сотворен отдельно и сохраняется божественным провидением, не допускающим вымирания видов. Система его классификации основана на внешних признаках и не отражает возможных родственных связей. (Похоже на попытку объединить ослов, кроликов и летучих мышей только на том основании, что у них длинные уши.) Конечно, если не признавать родственных отношений между видами, то безразлично, как их группировать: все классификации одинаково искусственны, и исследователь выбирает наиболее удобную. Тем не менее Линней не мог помешать другим ученым развивать идеи «эволюции» (это слово стало популярным лишь в середине XIX столетия), процесса, при котором последовательно и непрерывно одни виды дают начало другим. Это родство между видами и должно было найти свое отражение в принятой классификационной системе. (Все же в последние годы жизни Линней допускал возможность образования новых видов путем гибридизации.)

Вызов широко распространенным взглядам на развитие животных организмов осмелился бросить французский естествоиспытатель Жорж Луи Леклерк Бюффон (1707–1788), высказав идею изменяемости видов под влиянием окружающей среды.

Бюффон написал сорокачетырехтомную энциклопедию «Естественная история», столь же многоплановую для того времени и популярную, как когда-то труд Плиния, но гораздо более точную. В ней он указывал, что некоторые существа обладают бесполезными частями тела (рудиментарными органами), вроде, например, двух редуцированных пальцев у свиньи, которые расположены возле функционирующих копыт. Не имели ли некогда эти пальцы нормальных размеров? Возможно, когда-то они служили животному, но со временем сделались ненужными. Не исключено, что и с целым организмом может произойти нечто подобное? Может быть, человекообразная обезьяна – это выродившийся человек, а осел – выродившаяся лошадь?

Английский врач Эразм Дарвин (1731–1802), дед великого Чарлза Дарвина, в своих велеречивых поэмах о ботанике и зоологии одобрял систему Линнея и в то же время признавал возможность изменения видов под влиянием окружающей среды.

Через год после смерти Бюффона Европу всколыхнула Великая французская буржуазная революция. Началась эпоха ломки и перестройки, эпоха переоценки ценностей. Нации одна за другой отказывались признавать авторитет тронов и церкви; теперь находили признание научные теории, которые прежде считались бы опасной ересью. В этой обстановке идеи Бюффона о «спокойном», эволюционном развитии живого мира не встретили поддержки.

Однако спустя несколько десятилетий другой французский естествоиспытатель, Жан Батист Пьер Антуан Ламарк (1744–1829), берется за детальное изучение исторического развития живой природы.

Ламарк объединяет первые четыре класса Линнея (млекопитающих, птиц, рептилий и рыб) в группу позвоночных животных, обладающих внутренним позвоночным столбом, или позвоночником. Два других класса (насекомых и червей) Ламарк назвал беспозвоночными. Признавая, что классы насекомых и червей слишком разнородны (он понимал, например, что нельзя объединять восьминогих пауков с шестиногими насекомыми, а омаров с морскими звездами), он долго трудится над их систематикой и приводит ее в относительный порядок, доведя до уровня аристотелевой классификации.

В 1815–1822 гг. выходит капитальный семитомный труд Ламарка «Естественная история беспозвоночных животных», который содержит описание всех известных в то время беспозвоночных. В процессе работы над систематикой беспозвоночных Ламарку неоднократно приходилось задумываться над вероятностью эволюционного процесса. Размышления об эволюции живых существ он впервые изложил в 1801 г. и развил в своем главном труде «Философия зоологии» (1809). Ламарк выдвинул предположение, что частое употребление какого-либо органа приводит к увеличению его размеров и повышению работоспособности и, наоборот, «неупотребление» – к дегенерации. Такие изменения, вызванные влиянием внешних факторов, по утверждению Ламарка, могут передаваться потомству (так называемое наследование приобретенных признаков). В качестве примера Ламарк приводит жирафа. Легко представить, что какая-то антилопа, чтобы достать листья на деревьях, изо всех сил вытягивала шею, а попутно у нее вытягивались язык и ноги. В результате эти части тела стали несколько длиннее, а это, как полагал Ламарк, передалось следующему поколению, которое в свою очередь развивало и совершенствовало унаследованные особенности. Так антилопа мало-помалу должна была превратиться в жирафа.

Теория Ламарка не получила признания, так как она не располагала убедительным доказательством наследования приобретенных признаков. Действительно, все известные к тому времени факты свидетельствовали о том, что приобретенные признаки не наследуются. Даже если бы они наследовались, это относилось бы к признакам, на которые действует «волевое напряжение», вроде вытягивания шеи. А тогда как объяснить появление защитной окраски – пятнистости – на шкуре жирафа? Каким образом она развилась из лишенной пятен окраски антилопы? Можно ли предположить, что предок жирафа стремился стать пятнистым?

Ламарк умер в бедности, всеми отвергнутый. Его теория эволюции вызывала лишь недоумение. И все-таки она первой открыла ворота шлюза.