Великие открытия в биологии

13 Ноя
2013

Клеточное ядро

1831 год. Роберт Броун, натуралист из Англии изучал образцы растений, добытых им во время поездки в Австралию. Броун умел обращать внимание на детали, больше всего его интересовали клетки растений. Изучая их под микроскопом, он заметил кое-что интересное: у каждой клетки была похожая структура – круговая, непрозрачная. Он назвал это ядром.

Когда о работе Броуна узнал немецкий физиолог Теодор Шванн, то начал искать схожую структуру клеток в головастиках и нашел ее: у каждой клетки головастика было ядро. Открытие было революционным. У них появилось подтверждение, что все живое взаимосвязано. В своей книге Шванн описывает разные типы клеток разных организмов и определяет их по наличию ядра в клетке.

Понимание того, что есть общее в структуре всех организмов, не только в растениях, но и в животных организмах, объединило животный и растительный миры.

Археи

Более ста лет после открытия ядра клетки считалось, что на Земле существует два типа форм жизни: бактерии и все остальное. Бактерии считались прокариотами – простейшими одноклеточными организмами, ДНК которых находится не в ядре клетки, а на ее стенках. Все остальные формы жизни считались эукариотами, ДНК клеток находится в самом ядре.

Но такая простая классификация была ошибочной. В 1977 году биолог Карл Везе (Carl Woese) изучал бактерии, выделяющие метан, и обнаружил, что они отличались от остальных бактерий. Стенка клетки была уникальной, она создавала необычные энзимы. Вдобавок, такую генетическую последовательность он раньше не встречал.

Наступил момент открытия. Карл Везе обнаружил третью форму жизни – группа одноклеточных организмов, которых он назвал археи. Это был большой прорыв, потому что вся микробиология изначально строилась на том, что все бактерии одинаковы в своей сущности, в своем происхождении и структуре клеток. В это свято верил каждый микробиолог, и это оказалось неправдой.

Карл обнаружил форму жизни, способную выжить в любой точке планеты, включая самую агрессивную среду. Некоторые археи живут на гидротермальных выбросах на дне океана, температура здесь меняется каждый сантиметр – от отрицательной до испепеляющих 400 °С. Археи обнаружены в земле на глубине нескольких километров, выживающие в кислотных озерах, где плавятся даже минералы и железо.

Сейчас некоторые биологи полагают, что архея – прародитель современных эукариотов, включая людей.

Сначала об этом написали в «Нью-Йорк Тайм», потом новость подхватили другие газеты, потом рассказали на телевидении. Однажды Карл вышел из дома и сказал себе: «сегодня мир принадлежит мне!».

Митоз

В сравнении с веком человечества эти открытия произошли недавно: клетки, ядра клетки у животных и растений. Спустя 30 лет или около того мы научились видеть деление клеток.

Деление клетки – процесс, который клетка животного или растения проходит для того, чтобы продублировать себя. И хотя ученым было уже известно о процессе деления клетки, первым объяснил и опубликовал это немецкий зоолог Уолтер Флеминг.

Его книга вышла в свет в 1881 году, она сыграла огромную роль в истории клеточной биологии, потому что Флеминг смог описать клеточное деление в том виде, в каком оно было приемлемо для современного журнала.

Флеминг детально изучил процесс деления клеток. Он воспользовался новейшим мощным микроскопом и техникой окрашивания. С такими новшествами он сумел определить структуры, которые назвали хромосомами, а позднее были признаны его открытием.

Во время клеточного деления хромосомы проходят через динамическое изменение, они делятся на две одинаковые части – по одной на каждую новую клетку. Флеминг назвал этот процесс митозом.

Деление хромосом во время митоза было грандиозным открытием. Ученые, наконец, стали понимать, как одна клетка может превратиться в сложнейший организм, состоящий из множества взаимодействующих клеток.

Мейоз

Примерно в то время, когда Уолтер Флеминг изучал клеточное деление, ученым уже было известно, что оплодотворение происходит за счет объединения разнополых клеток – сперматозоида и яйцеклетки. Чего они не знали – так это почему только эти две клетки могли создавать новую жизнь? Что отличало их?

Первый внятный ответ смог дать бельгийский зоолог Эдвард ван Бенеден в 1883 году. Во время изучения кольчатых червей он обнаружил по 4 хромосомы почти во всех клетках особей. Исключением были клетки, отвечающие за оплодотворение – мужской сперматозоид и женская яйцеклетка, в этих клетках было всего 2 хромосомы. Он заметил, что когда эти две клетки соединяются вместе, получается полноценная клетка с 4 хромосомами. Но почему в этих клетках изначально было вдвое меньше хромосом, все еще оставалось тайной.

В 1887 году ответ находит немецкий биолог Август Вейсман. Он предположил, что либо все хромосомы делятся пополам, и одна половина уходит в одну сторону, а другая – в другую, либо все еще более сложно: хромосомы могут объединиться попарно и потом вместо отделения друг от друга, делятся еще раз.

После многолетних наблюдений за хромосомами Вейсман обнаружил, что в определенный момент развивающийся организм дает команду клеткам, отвечающим за размножение, разделить хромосомы пополам. Этот процесс деления клеток Вейсман назвал мейоз.

Это был «золотой век» биологии: за 200 лет с 19 по 21 век люди поняли, что отличает камень от лягушки. Можно сказать, что люди нашли ответ на старый философский вопрос: что такое жизнь? Может быть он не полностью удовлетворен, но это не надолго.

Видоизменение клеток

В конце 19 века биологи знали, что во время формирования эмбриона клетки большинства организмов начинали видоизменяться, они получали особенные инструкции по формированию взрослого организма. Руки, ноги, глаза… Но когда происходило видоизменение?

Ответ попытался найти немецкий биолог Ханс Дриш. Он изучал морских ежей и обнаружил, что на начальном этапе развития эмбриона их клетки еще не видоизменялись, они все могли стать любым типом клетки. Сегодня клетки, способные видоизменяться в любой тип клеток, ученые называют стволовыми клетками.

Итак, клетка оплодотворяется и начинает делиться, но не сразу начинает образовывать, скажем, клетку легкого или клетку ногтя. В этот момент клетки очень гибкие, они имеют возможность превратиться в любую клетку любой части тела. И вдруг что-то происходит! Мы не знаем что это, но с этого момента клетки формируют различные ткани – вот откуда у нас берутся сердце, печень и селезенка.

Возникает вопрос: насколько обратим этот процесс? Насколько бесповоротно эти клетки видоизменились? Если клетка стала печенью – обратного пути нет, однако, ученые смогли показать, что это не так. Если нарушить внутреннюю среду клетки, можно активировать ранее не использовавшиеся гены, это демонстрирует определенную гибкость, такую же, что изначально имеют стволовые клетки. Поэтом если научиться пользоваться этим знанием, можно было бы лечить людей от многих болезней.

Это можно было бы использовать в регенеративной медицине. Было обнаружено, что в клетках есть большой потенциал. К примеру, клетка крови может быть не просто клеткой крови, они сможет добираться до пораженного участка, восстанавливать ткани мышц, мозга и печени – ученые добились этого в нескольких экспериментах.

Эксперимент с генетически модифицированными мышами. Во всех клетках мыши – флуоресцентный протеин. В мышей были введены гены медузы, и теперь их ткани светятся в темноте, особенно это заметно на ушах, в глазах и на хвосте – эти ткани зеленые. Это позволило ввести светящиеся ткани в другую мышь, чтобы увидеть, во что они сформируются. Так отслеживается развитие стволовых клеток.

Цикл Кребса

В 30-х годах прошлого столетия немецкий биолог Ханс Кребс, сын еврейского доктора, бежал из нацистской Германии. К 1937 году он занимался исследованиями в Кембриджском университете и хотел открыть тайну одного важного биологического процесса: как клетки в нашем теле превращают пищу в энергию.

Чтобы изучить этот процесс, Кребс измельчил образец животной ткани. Потом он сделал жидкость из этих клеток, пропустил содержимое через ряд химических реакций и замерил результаты. Тут он заметил последовательность, которая позднее привела к знаменательному открытию.

В своих исследованиях Кребс заметил, что молекулы сахара из переваренной пищи проходят через цикл различных химических реакций внутри самой клетки. Этот процесс приводит к образованию богатой энергией молекулы. Эта молекула снабжает нас энергией, участвующей в дальнейшей жизнедеятельности. Этот процесс стал называться цикл Кребса.

Это было великое открытие для биохимии. Цикл Кребса открыл дорогу к пониманию того, как работают клетки внутри человеческого организма.

Митохондрия

В середине 19 столетия с помощью мощных микроскопов ученые обнаружили нечто, ранее неизвестное — таинственную структуру, обитающую внутри почти всех типов клеток: у нее было две мембраны и способность менять форму.

В течение последующего столетия разные биологи пытались открыть секрет этого чуда биологии. Эти структуры называли митохондриями.

Одного из первых ученых, связанных с открытием митохондрий, звали Бриттон Ченс (Britton Chance). Его вклада было создание двулучевого спектра фотометра – инструмента, с помощью которого ученым было легче понять, как функционируют митохондрии. Сегодня он работает профессором биофизики в университете Пенсильвании.

Он изобрел инструмент, способный смотреть сквозь эти структуры. У них были мембраны, стенки клеток и разные светящиеся элементы вокруг. Когда рассматривали их на свету, то видели лишь пух. Тогда Ченс сделал инструмент, который избавил его от пуха, и наткнулся на два компонента, которые связывают митохондрию с циклом Кребса. Так ученые поняли связь между действиями энзимов и цепью энергии, тогда все слилось в единое целое.

С помощью изобретения Ченса ученые поняли, что митохондрия обеспечивает энергией, которая заставляет клетку работать, а все тело – функционировать. Митохондрии очень эффективно используют состав пищи, которую собирает клетка – это называется феномен дыхательного контроля. Если говорить простым языком, это значит, что можно тренироваться до умопомрачения и потом чуть-чуть отдохнуть, то есть не нужно принимать таблетку или делать укол – тело само восстановится, его митохондрии сами перенаправят недостаток энергии, после этого оно просто уснет. Поэтому в наши дни, когда популярны Олимпийские игры, и спортсмены стремятся к лучшим результатам, это играет немаловажную роль.

В 1952 году Бриттон Ченс выиграл золотую медаль в составе американской команды по гребле.

Открытие компонентов митохондрии, изучение ее в естественной среде — как она работает, насколько важен дыхательный контроль и как он работает – все это сдерживает Ченса от того, чтобы пойти и погулять на улице. Он уделяет больше внимания работе над мозгом и раком, потому что митохондрии имеют отношение и к ним тоже.

Нейротрансмиссия

В конце 19 столетия одной из наиболее волнующих ученых загадок была как нервные клетки создают нервную систему и сообщаются друг с другом. Они знали, что каждая нервная клетка – нейрон – передает электрические импульсы. Многие полагали, что связь, позволяющая одному нейрону перескакивать к другому – тоже электрическая. Пока не было сделано открытие…

В начале 20 столетия британский биолог Генри Дейл проводил серию экспериментов, изучая психологию нервных импульсов. В одном из них он ввел адреналин в сердце кошки, рассчитывая повысить сердцебиение. Но ничего не произошло.

Тут он понял свою ошибку: он уже вводил другое лекарство этой кошке, оно понижало сердцебиение. Дейл понял, что напал на какой-то след. Раз лекарство может прерывать нервные импульсы, значит, связь между нейронами должна быть химической, а не электрической, как думали раньше.

Дейл обратился за советом к своему коллеге Отто Леви. Чтобы проверить гипотезу Дейла, Леви провел эксперимент на двух лягушках. Он опустил первую лягушку в солевой раствор. Электрическим импульсом он стимулировал нерв, отвечающий за сердцебиение. Скорость сердцебиения снизилась. Тогда Леви перелил немного солевого раствора на сердце второй лягушки, и произошло невероятное: без всякого электрического стимулирования сердце второй лягушки тоже замедлилось. Это был момент открытия.

Леви понял, что первое сердце выделило химикат, который заставил мышцы сердца замедлить сокращения. Это доказало, что передача импульсов от нервных клеток к сердцу была химической. Леви открыл первый нервный химикат, который сейчас называется нейротрансмиттер.

Сегодня мы уже знаем, что в человеческом теле много нейротрансмиттеров, ученые используют это знание для изучения работы мозга и химических сообщений, которые он отправляет. Например, низкий уровень серотонина связан с депрессией, алкоголизмом и нервными расстройствами.

Но следующее открытие показало, что нервная система – не единственный метод коммуникаций в теле человека.

Гормоны

В 1903 году два английских физиолога Уильям Бейлис и Эрнест Старлинг изучали процесс пищеварения. В своих экспериментах они обнаружили, что тело производит желудочный сок, который помогает измельчать пищу, когда она передвигается из желудка в кишку. Но что заставляло этот сок вытекать?

Чтобы это узнать, Бейлис и Старлинг провели эксперимент. Они взяли образец крови у собаки, которая только что поела. Ввели кровь другой собаке, которая еще не ела, и произошло чудо: у второй собаки не было еды в желудке, но выделение желудочного сока из поджелудочной железы началось! Как это произошло?

Через пару тестов ученые нашли ответ на свой вопрос: после того, как еда попадает в желудок, он производит химическую субстанцию, которая по кровеносным сосудам отправляется в поджелудочную железу. Здесь она помогает железе производить сокращения для того, чтобы переработать пищу. Бейлис и Старлинг назвали эту субстанцию секретин. Уже было ясно, что речь идет не об одной, а о целой группе тогда еще неизвестных химических субстанций — они назвали их гормонами.

После сделанного ими открытия было найдено более 50 видов гормонов. Гормоны, вырабатываемые гландами и тканями, передаваемые по кровеносным сосудам по мере необходимости, гормоны, отвечающие за рост тела, метаболизм, сердцебиение и сахар в крови. Они даже помогают женщинам готовиться к рождения: эстроген – один из женских гормонов, подготавливает матку к рождению ребенка, а груди – к кормлению.

Фотосинтез

В 1771 году химик Джозеф Пристли провел серию экспериментов, сжигая различные субстанции в закрытых склянках и собирая выделенные при этом газы.

В одном таком эксперименте он оставил зажженную свечу в склянке, и пламя быстро потухло. По словам Пристли, воздух внутри склянки был поврежден.

Чтобы узнать, какой эффект поврежденный воздух возымеет над живой материей, он засунул в склянку лист мяты на 10 дней. Когда Пристли вернулся к этому листочку, то с удивлением обнаружил, что тот все еще зеленый, и воздух внутри склянки был опять свежим. Пристли предположил, что все дело в листе мяты. Но как?

Этот вопрос так и остался без ответа, пока голландский ученый Ян Ингенхауз не повторил эксперимент Пристли. Используя листья растений, он наблюдал тот же эффект.

Но после нескольких экспериментов он начала понимать, что происходит: лист растения мог очищать воздух только в случае, когда лежал под солнечными лучами. Это был прорыв! Пристли и Ингенхауз открыли миру фотосинтез — биохимический процесс, с помощью которого растения перерабатывали солнечный свет в химическую энергию.

Фотосинтез убирает углекислый газ из атмосферы и создает кислород – газ, от которого зависит жизнь людей. Этот газ Джозеф Пристли откроет три года спустя.

Тропическое разнообразие

Это открытие не имеет своего открывателя. Многие пытались объяснить эту идею в течение нескольких столетий. Это открытие тропического разнообразия, и сегодня это основа нашего понимания биологического мира и нашей зависимости от него.

Термин «тропическое разнообразие» относится к разнообразию живых существ и их взаимодействию с окружающей средой. Тропические леса – самые богатые по своему разнообразию.

В 15 веке итальянский первооткрыватель Америго Веспуччи побывал в тропиках и написал в своем журнале: «что я могу сказать о многообразии диких животных? Так много видов просто не могло поместиться в Ноев ковчег!».

Сегодня мы продолжаем восхищаться разнообразием тропиков. Предположительно, 50% видов животного мира населяют тропические леса, занимающие около 2% от общей площади планеты.

В лесах Амазонки в Бразилии – более 500 видов деревьев растут на площади в 4 км2. Сравните это с общей площадью США и Канады, в которых в общей сложности около 700 видов деревьев.

Но почему открытие тропического разнообразия считается важным? Потом что это не только позволило ученым понять природу и системы, которые здесь работают, но и позволило добывать необычайно полезные в современной жизни ресурсы: начиная от производства еды и индустриальных товаров до создания новых лекарств. Например, многие из лекарств для работы с раком делаются из тропических растений.

Но эта польза дается дорогой ценой. Ученых беспокоит потеря тропического разнообразия высокими темпами: миллионы гектаров земли опустошены, несметное количество животных исчезло. Подсчитано, что с такими темпами вырубки все тропические леса исчезнут к 2030 году. Все это влияет на окружающую среду.

Экосистемы

Пыльные бури 30-х годов. После многих лет засухи американский Средний запад превратился в пустыню. В засушливую погоду фермеры продолжали пахать и засаживать землю, надеясь, что питательные вещества в земле появятся снова. Но их попытки только усугубили положение: верхний слой почвы превратился в пыль, а ветер ее раздувал.

Для британского эколога Артура Тенсли пустынные бури были доказательством того, что ученые и простые обыватели слишком узко смотрели на мир. Они не понимали динамику окружающей среды как единого целого, перспективу, объясняющую причину и следствие подобных событий. Он пропагандировал новое понятие под названием экосистема, которое объединяет идеи из разных областей науки.

Почему это было революционной сменой мышления? В то время экологическая работа была сильно связана с описанием природы. Говоря о системе, мы идет дальше, экспериментируем, ищем постоянную структуру различных местностей и разных видов. И тогда можно говорить о том, как можно их проверить. Это ставит экологию на один уровень с физикой, химией, молекулярной биологией. Артур Тенсли использовал слово «система» и применил его к экологическому учению. Он пытался выразить идею того, что экология – это часть иерархии физических систем.

Используя такой подход, можно понять, как восстанавливать экосистемы, манипулируя видами растений или окружающей средой, и как сделать это наименее затратным. Таким образом можно возродить Природу так, чтобы она соответствовала нуждам человека и могла существовать сама по себе под Солнцем.


 

Комментарии:

наверх