11 :: 12 :: Содержание
1.4.2. Генетика и физиология
Согласно общепринятому мнению, информация, содержащаяся в молекуле
дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), накопилась в ходе естественного отбора, действующего на многие поколения. Те спонтанные изменения (мутации) в нуклеотидной последовательности ДНК, при которых шансы организма на выживание увеличиваются, в среднем закрепляются и частота их встречаемости в данной популяции возрастает. Напротив, мутации, уменьшающие адаптацию данного вида к окружающей среде и снижающие вероятность его выживания и воспроизведения, устраняются (элиминируются). Широко известно, что в процессе дарвиновской эволюции сформировались основные морфологические
11
Рис. 1.2. Представление о
непрерывности наследственности ("зародышевого пути"). Субстрат наследственности сохраняется благодаря физиологической деятельности представителей каждого очередного поколения. Естественный отбор благоприятствует тем физиологическим процессам, которые увеличивают вероятность воспроизведения и, следовательно, передачи ДНК очередному поколению.
характеристики всех ныне живущих видов. Однако, как мы с вами убедимся, функции (тесно связанные со структурой; см. выше) также претерпели эволюцию в процессе естественного отбора. В то же время, поскольку давление отбора может приводить к каким-то изменениям лишь в рамках определенных химических и физических законов, природа и функции живых систем в конечном счете ограничены фундаментальными химическими и физическими свойствами тех элементов и молекул, из которых они состоят.
К концу XIX в. Август Вейсман разработал теорию наследственности, в которой он выдвинул концепцию непрерывности зародышевой плазмы. Согласно этой концепции, генетический материал, который многоклеточные животные передают своему потомству, содержится в зародышевых клетках. У животных каждого поколения эти клетки образуются непосредственно из зародышевых клеток родителей, и тем самым создается непрерывная линия. Зародышевая плазма генетически независима от соматических клеток, которые развиваются из зародышевых клеток и погибают со смертью животного очередного поколения. ДНК можно считать молекулярным эквивалентом зародышевой плазмы Вейсмана; это своего рода бесконечная прядь из воспроизводящихся нитей, которые передаются от поколения к поколению всем
животным данного вида (рис. 1-2).
Весь слепой процесс эволюции направлен на сохранение ДНК "зародышевого пути", поскольку именно в этой молекуле хранится информация, характерная для данного вида. Если" информация эта теряется, то вид моментально и необратимо исчезает. Любые структурные и функциональные особенности, являющиеся как бы "внешними" по отношению к постоянной передаче ДНК "зародышевого пути" от поколения к поколению, направлены в конечном счете на сохранение наследственного материала.
Таким образом, между ДНК и всем организмом существуют симбиотические взаимоотношения. Ни организм, ни ДНК не могут выжить друг без друга. "Сома" обязана своим существованием ДНК, а ДНК неминуемо исчезла бы, если бы во время кратковременного существования организма не действовали соматические функции. Так замыкается философский круг: структурные и функциональные особенности животных того или иного вида и даже их поведение формировались в процессе естественного отбора лишь с одной целью-увеличить вероятность сохранения ДНК данного вида. В связи с этим все соматические функции организма прямо или косвенно направлены на приобретение и сохранение энергии и вещества из окружающей среды. Все остальные проявления можно рассматривать лишь как украшения на гармоничном здании биологических процессов.
12
11 :: 12 :: Содержание
12 :: 13 :: 14 :: Содержание
1.4.3. Принцип гомеостаза
Впервые на важность гомеостаза1 для жизнедеятельности животных указал Клод Бернар - французский ученый XIX в. и один из основателей современной физиологии. В соответствии со взглядами Бер-нара млекопитающие способны поддерживать состояние своей внутренней среды в узких рамках. Это явление хорошо знакомо каждому хотя бы по результатам обычного анализа крови, который мы регулярно делаем, и по измерениям температуры тела. "Постоянство внутренней среды" по Клоду Бернару оказалось универсальным законом для всех живых систем; именно оно позволяет животным и растениям выживать в постоянно меняющейся, и порой достаточно резко, окружающей среде (рис. 1-3). Считается, что эволюционное развитие механизмов гомеостаза было основным фактором,
12
позволившим животным выйти за пределы относительно благоприятного окружения и завоевать гораздо более суровые для жизни среды обитания. Удивление и восхищение, которые мы испытываем порой при познании физиологических закономерностей, часто вызывает именно способность животных в процессе эволюции приспосабливаться к самым разным условиям окружающей среды.
Рис. 13. Благодаря работе физиологических систем
регуляции даже при значительных изменениях параметров окружающей среды состояние организма варьирует лишь в узких пределах.
Процессы регуляции внутренней среды обнаруживаются не только у сложно организованных позвоночных животных, но и у одноклеточных организмов. У многоклеточных животных состав (а у птиц и млекопитающих - еще и температура) межклеточной жидкости постоянно регулируется таким образом, что параметры ее поддерживаются в узких границах. Одноклеточные животные-простейшие -смогли освоить пресные водоемы и другие среды, способные вызвать нарушение осмотического равновесия, благодаря тому, что концентрация солей, Сахаров, аминокислот и других растворимых веществ в их цитоплазме регулируется с помощью избирательной проницаемости мембран, активного транспорта и других механизмов, поддерживающих эти
концентрации в пределах, благоприятных для протекания метаболических процессов, но совершенно иных, чем в окружающей среде. Аналогичные явления наблюдаются и в отдельных клетках многоклеточных организмов, состав внутриклеточной среды которых также регулируется.
Воснове многих процессов регуляции лежит принцип обратной связи (дополнение 1-1). Создавая те или иные системы (например, компьютеры или системы наведения ракет), конструктор опирается на то, что они будут работать во вполне определенных условиях, поэтому должны быть сделаны максимально точно, чтобы в этих условиях и работали вполне определенным образом. Живые же системы должны быть способны функционировать в тех постоянно меняющихся условиях, которые зависят, например, от капризов природы. Поскольку генетические и метаболические механизмы, не говоря уже о состоянии внешней среды, отнюдь не являются неизменными, для регуляции соответствующих процессов необходимо постоянно получать информацию и вносить коррекцию. Предположим, например, что опытный водитель садится в машину на прямолинейном десятикилометровом участке совершенно пустынной автомагистрали, устанавливает свою машину должным образом, а затем ему завязывают глаза и просят проехать все десять километров, не отклоняясь от трассы. Даже незначительное изменение, произошедшее в нейромоторной и сенсорной системах водителя или в рулевом управлении машины, а тем более порывы ветра или неровности дороги сделают эту задачу невыполнимой. С другой стороны, если снять с глаз водителя повязку, то он, используя зрительную информацию, будет корректировать свое движение с помощью отрицательной обратной связи и сохранит нужное направление. Когда водитель увидит, что он постепенно отклоняется от трассы (вследствие внешних или внутренних причин), он просто откорректирует свой путь, послав через нервные системы управления движениями команды к мышцам рук, лежащих на руле. Используя научные термины, приведенные в дополнении 1-1, зрительная система водителя в данном случае выступает в роли сенсора, а двигательные нервные системы, осуществляющие корректирующие изменения в сторону, противоположную замеченному отклонению,-в роли инвертирующего усилителя, исправляющего отклонения от уставки (в нашем случае-осевой линии на дороге).
Вкачестве еще одного примера регуляции с помощью отрицательной обратной связи можно привести термостат, поддерживающий в сосуде с водой температуру, равную (или близкую) установленной (рис. 1-4). Когда температура воды падает ниже заданного уровня, от датчика поступает сигнал о включении нагревателя. По достижении необходимой температуры нагреватель отключается, вода перестает нагреваться, и так до тех пор, пока температура ее вновь не станет ниже заданной величины. Для "термостата", регулирующего температуру тела млекопитающих и расположенного в головном мозге, эта величина равна примерно 37 °С. Токсины, вырабатываемые некоторыми патогенными микроорганизмами, смещают ее до более высокого уровня, и тогда наблюдается лихорадка.
Физиологические системы с обратной связью встречаются в процессах промежуточного обмена (гл. 3), нервного управления движениями мышц (гл. 8), регуляции эндокринных функций (гл. 9),
13
Рис. 1.4. Пример регулируемой системы. При снижении температуры воды в сосуде биметаллическая спираль, закрепленная в центре, слегка скручивается, что приводит к замыканию электрической цепи нагревателя. При нагревании воды спираль раскручивается и контакт размыкается. Необходимая температура устанавливается путем соответствующего расположения контакта термостата.
кровообращения (гл, 13) и дыхания (гл. 14), а также терморегуляции (гл. 16).
14
1Следует отметить, что сам термин "гомеостаз" был предложен в 1929 г. американским физиологом Уолтером Кенноном.-Прим. перев.
12 :: 13 :: 14 :: Содержание