Глава восьмая. Организменный уровень организации

 

Что такое организм?

Можете дать свое собственное определение прежде, чем читать дальше.

Академик Владимир Иванович Вернадский характеризовал организм как «биохимическую отдельность живого вещества биосферы». Другой академик – Иван Петрович Павлов, выражался иначе: «организм – это в высочайшей степени саморегулирующаяся, сама себя поддерживающая, восстанавливающая, поправляющая и совершенствующая система».

Более четкая формулировка звучит так: «Организм – это отдельная (или – дискретная) единая биосистема, состоящая из различных органов и тканей, которые взаимодействуют между собой и с внешней средой».

А можно сказать и проще: «организм – это биологический объект, возникший в результате эволюции жизни на нашей планете».

Все живое представлено в природе в виде организмов.

Организм – это биологическая система открытого типа, то есть система, взаимодействующая с окружающей средой.

Организм обладает всеми свойствами живой природы – обменом веществ и энергии, питанием, дыханием, выделением, раздражимостью, способностью к размножению, способностью к саморегуляции, приспособленностью к среде обитания и т. д.

 

Место организменного уровня в организации жизни

 

Все организмы разделяют на две большие группы – одноклеточные и многоклеточные. Клетки одноклеточных организмов одновременно представляют собой как клеточный, так и организменный уровни организации жизни.

Все организмы, как вы уже знаете, делятся на прокариоты и эукариоты. Клетки-прокариоты не имеют ограниченных мембраной ядер и лишены большинства органоидов, а клетки-эукариоты имеют ядро и полный набор органоидов. Среди одноклеточных организмов могут встречаться как эукариоты (бактерии), так и прокариоты (простейшие), а все многоклеточные организмы являются эукариотами. Это логично, ведь более сложное строение дает больше возможностей для взаимодействия между клетками, для объединения их в одно целое.

 

Одноклеточные организмы

 

Сможете выразить одним словом разницу между одноклеточными организмами и клетками многоклеточных организмов?

В чем заключается разница?

Правильный ответ – самостоятельность! Разница между одноклеточными организмами и клетками многоклеточных организмов заключается в самостоятельности.

Одноклеточные организмы осуществляют все функции, присущие организмам, в частности они самостоятельно добывают пищу и, в большинстве своем, способны передвигаться. У одноклеточных организмов есть органоиды «специального назначения», помогающих им выполнять «организменные» функции. А вот специализации или дифференцировки у одноклеточных организмов нет, все они (при условии принадлежности к одному биологическому виду) совершенно одинаковы по строению и функциям. Дифференцируются по строению и функциям только клетки многоклеточных организмов, которые к самостоятельно существованию не способны. В первую очередь потому не способны, что не могут самостоятельно добывать пищу.

Количество клеток и их типов в многоклеточном организме варьируется. Так, например, организм гидры состоит всего из семи типов клеток, а в организме человека насчитывается более ста типов клеток (гордитесь!).

Жизнь на нашей планете началась с одноклеточных организмов. Принято считать, что в процессе эволюции разные организмы в разное время приходили к многоклеточности своими особыми путями.

Почему приходили?

Потому что это выгодно, ведь другого довода, кроме выгоды, у эволюции нет.

Многоклеточные организмы способны более успешно противостоять хищникам, чем одноклеточные, способны более успешно приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды, а также способны питаться более крупными жертвами. Выгода налицо!

Как известно, у любой медали есть две стороны и за все приходится платить. У многоклеточности есть один большой недостаток – высокие энергетические затраты. Для поддержания жизнедеятельности многоклеточного организма, состоящего из энного количества клеток, требуется гораздо больше энергии, чем для жизнедеятельности такого же количества одноклеточных организмов. Но эти расходы оправдываются, иначе на нашей планете не было бы многоклеточных организмов, совсем и вообще.

Что нужно для объединения множества клеток в единый организм?

Вообще-то перечень необходимого может растянуться на добрый десяток страниц, но главных условий три.

Во-первых, клетки должны обладать способностью вырабатывать сигнальные вещества, которые позволят им взаимодействовать между собой. Без взаимодействия единый организм не создать.

Во-вторых, клетки должны обладать способностью к соединению друг с другом. Только скованные одной цепью, только связанные одной целью – выжить и оставить потомство, могут считаться организмом.

В-третьих, нужен «наполнитель» межклеточного пространства, какой-то прочный и эластичный белок.

Знакомо ли вам слово «матрикс»?

Матрикс – это не матрица, а вещество, заполняющее определенное пространство. Матрикс бывает разным. Так, например, ядерный матрикс формирует основу клеточного ядра, клеточный матрикс заполняет клетку. А есть еще и внеклеточный или межклеточный матрикс – смесь различных веществ, в которой находятся клетки одноклеточных и многоклеточных организмов. Эволюционный смысл внеклеточного матрикса заключается в том, что его образование явилось решительным, если можно так выразиться, шагом к объединению разобщенных клеток в единое целое. Клетки начали формировать общую среду, которая объединяла их, защищала их и давала возможность общаться друг с другом – ведь именно во внеклеточный матрикс выделялись сигнальные вещества.

В биологии есть две великих загадки – появление первой клетки и появление первого многоклеточного организма. Ни то, ни другое пока еще не удалось смоделировать в лабораторных условиях. Дальше известного вам эксперимента Миллера-Юри ученые пока еще не продвинулись. Увы, увы, увы…

К месту можно вспомнить два недавних эксперименты по эволюции многоклеточности, проведенные исследователями Миннесотского университета.

В первом эксперименте моделью служли пекарские дрожжи-одноклеточные грибы, которые размножаются почкованием. Когда материнская клетка достигает определенных размеров и определенной степени зрелости, от нее отделяется более мелкая дочерняя клетка, которая растет и дает новые «почки».

Дрожжи были выбраны для участия в эксперименте потому что эти одноклеточные организмы способны слипаться друг с другом, образуя кластеры[58] разных размеров. Исследователи отбирали для дальнейшего наблюдения самые крупные кластеры, размножая образующие их клетки. Таким образом, при помощи искусственного отбора в лабораторных условиях сформировалась группа клеток, отличающаяся гипертрофированной способностью к объединению, способностью к созданию особо крупных кластеров. Со временем эти кластеры начинали вести себя как единые организмы – происходила синхронизация жизненных циклов объединившихся клеток. Клетки синхронно росли и синхронно начинали размножаться, образуя дочерний кластер. Вот он – первый шаг на пути к многоклеточному организму.

Правда, у этого интересного эксперимента было два условных «недостатка».

Во-первых, дрожжи когда-то имели многоклеточных предков, от которых могли унаследовать способность к объединению. Дрожжи утратили многоклеточность когда перешли к обитанию в жидких и полужидких средах, богатых питательными веществами. В таких шикарных условиях энергоемкая многоклеточность стала нецелесообразной и дрожжи вернулись к одноклеточному существованию. Но память-то в генах осталась…

Во-вторых, в ходе эксперимента не произошло дифференциации (специализации) клеток, составляющих кластер. Все клетки оставались абсолютно идентичными, не было даже морфологического разделения на покровные и внутренние, не говоря уже о чем-то большем.

Впоследствии этот эксперимент был повторен с другой моделью – одноклеточными водорослями хламидомонада Рейнгардта, у которых никогда не было многоклеточных предков и «коллективной» генетической памяти. Искусственный отбор производился точно так же, как и в предыдущем эксперименте – для дальнейшего наблюдения отбирались клетки, образующие наиболее крупные кластеры. Через 50 поколений (в случае с водорослями это недолго) были получены кластеры с синхронными жизненными циклами клеток. Но, в отличие от дрожжей, которые делились единым кластером, водоросли для деления расходились порознь, но при этом оставались внутри общей слизистой оболочки.

Эти эксперименты подтверждают мнение о том, что одноклеточные организмы могли приходить к многоклеточности различными путями. Пожалуй, только в этом и состоит их научная ценность, ведь превращения группы одноклеточных организмов в полноценный многоклеточный организм с дифференцированными клетками достигнуто не было.

Но зато нам никто не мешает призвать на помощь воображение… Разумеется, в строго научных рамках, без какой-либо фантастики.

Прежде всего нужно дать ответ на такой вот вопрос – почему естественный отбор, который является движущей силой эволюции, вдруг переключился с отдельных одноклеточных организмов на их скопления?

Проще говоря – что должно было случиться для того, чтобы в поколениях начали закрепляться признаки (мутации), благоприятные для коллективного, а не для одиночного существования? Как и почему это произошло?

Второй вопрос касается размножения. Как и почему клетки перешли от размножения общим, «поголовным» делением (или почкованием, если угодно) к размножению посредством особо уполномоченных на то половых клеток?

Естественный отбор отбирает только выгодное. Для того, чтобы в поколениях начал закрепляться «коллективизм» – групповое существование, этот коллективизм должен стать выгодным, благоприятным для выживания.

Например – собравшись в подобие шара, одноклеточные организмы окружали себя защитной пленкой, состоящей из склеившихся друг с дружкой клеток. Такая пленка могла быть покрыта защитной слизью. Наверное, не нужно объяснять, какие преимущества дает подобное объединение.

Другой пример – собравшись в плоский «блин», одноклеточные организмы могут удерживаться на поверхности воды, где больше солнечного света и кислорода, в то время как отдельные клетки обречены «барахтаться» где-то внизу, в толще воды. Чем не выгода?

При таком положении дел преимущественно станут выживать клетки-коллективисты. Вот вам и «переключение» естественного отбора на коллективное существование.

С первым вопросом мы разобрались, можно сказать, играючи, а вот найти ответ на второй вопрос гораздо труднее.

Существует весьма интересная гипотеза, выдвинутая новозеландским биологом Полом Рейни.

Допустим, что группа одноклеточных водорослей склеилась друг с другом так, что распасться этот кластер уже не может. Кластер плавает на поверхности воды, клетки получают много света и кислорода, и все счастливы. Только вот с размножением проблема – когда одноклеточные организмы со всех боков зажаты своими собратьями, да еще и надежно склеены с ними, нет никакой возможности для массового размножения делением. Ключевые слова – «для массового», отдельные клетки могут размножаться в случае гибели кого-то из соседей для того, чтобы заполнить образовавшуюся пустоту.

Рейни предположил, что среди множества клеток, честно склеившихся в единый кластер, могут попадаться клетки-обманщики, которые поверхностного клея не вырабатывают, с соседями не склеиваются и могут в любой момент покинуть кластер для размножения. Эти клетки пользуются всеми преимуществами группового бытия, но не поддерживают целостности кластера, потому они и называются «обманщиками».

Надо уточнить, что естественный отбор не может действовать на отдельно живущую клетку на групповом уровне, то есть не может закреплять у отдельных клеток, не объединенных в кластер, признаков, которые благоприятны для групповой жизни. На отдельную клетку отбор действует на индивидуальном уровне.

Кто сможет дать потомство – «честные» клетки или «обманщики»?

Разумеется – «обманщики». Их интенсивное размножение приведет к росту числа клеток, не образующих поверхностного клея и, в результате, очень скоро кластеров не станет. Надо как-то бороться с «обманщиками», а лучше всего – возложить на них почетную функцию продолжения рода. Пусть они покидают свои родные кластеры для того, чтобы создавать новые.

Но для размножения клеточных колоний посредством клеток-обманщиков нужны два условия. Первое – «обманщиков» в кластерах должно быть немного, иначе кластеры разрушатся. Второе – создание новых кластеров возможно лишь в том случае, если «обманщики» будут часто мутировать обратно – в «честные» клетки, производящие клей (такое, представьте, возможно).

Вполне себе логичная гипотеза Рейни начинает «буксовать» на стадии дифференцировки клеток, разделения их по тканям и органам. Невозможно представить (даже с помощью компьютера) сколько должно произойти случайных мутаций для того, чтобы создать структурно упорядоченный и слаженно функционирующий многоклеточный организм.

Если вы раз за разом станете выплескивать на чистый лист бумаги чернила из пузырька, то какова будет вероятность получения подобным образом стихотворения Михаила Юрьевича Лермонтова «Белеет парус одинокий»?

Ой!

Вот примерно то же можно сказать и про мутации, приводящие к появлению полноценного многоклеточного организма. Однако, Рейни объясняет происхождение многоклеточных организмов не только мутационной, но и модификационной изменчивостью.

Что за зверь такой – модификационная изменчивость?

Так называют изменение организма под воздействием различных факторов окружающей среды без изменения его генотипа. В основном модификации носят приспособительный характер.

Самый распространенный и один из наиболее наглядных примеров приспособительной модификации – это развитие мускулатуры (увеличение объема мышечных клеток) при регулярной физической нагрузке.

Другим примером может служить загар – потемнение кожи под воздействием ультрафиолетовых лучей, вследствие образования и накопления в ней пигмента меланина. Загар представляет собой защитную реакцию организма на чрезмерное облучение солнечными лучами.

По внешнему виду карася, который по-научному называется «серебряным карасем», знатоки могут с уверенностью судить о том, в каком водоеме он вырос – в крупном озере или в небольшом пруду. «Крупно-озерный» карась гораздо больше «прудового» и тело у него более округлое. Причина в питании – в крупном водоеме много пищи, поэтому тамошние караси вырастают до значительных размеров.

Одно и то же растение может выглядеть по-разному в зависимости от того, растет оно высоко в горах или же в долине. Горные растения обычно низкорослые, с глубоко уходящими в почву корнями. Низкорослость и сильно развитая корневая система являются следствием низкого содержания питательных веществ в почве. Так же на рост горного растения влияют такие условия, как более холодная температура воздуха и недостаток влаги. В долинах, где почва питательнее, влаги больше и воздух теплее, растения вырастают выше своих горных «собратьев», а вот их корневая система развита хуже. А зачем ее интенсивно развивать, если в поверхностном слое почвы достаточно питательных веществ и достаточно воды?

Если растение растет в тени, то оно будет иметь более крупные, чем обычно, листья, для того, чтобы улавливать как можно больше солнечного света, необходимого для фотосинтеза. А вот если растение растет в засушливой местности, то его листья будут мельче обычного размера, для того, чтобы сохранить как можно больше воды (вода же испаряется с поверхности листа).

Приспособительные модификации по наследству передаваться не могут, поскольку они не затрагивают генотипа. Но…

Но науке известны примеры наследуемых модификационных изменений, описанные у некоторых бактерий, простейших и многоклеточных эукариот.

Как может наследоваться то, что не записано в генах? Нонсенс! Парадокс! Абсурд!

Никакого абсурда! И нонсенса с парадоксом тоже. Природа вообще не знает таких понятий. Давайте лучше подумаем вот о чем – и в клетках скелетных мышц, и в клетках печени, и в клетках щитовидной железы, и в клетках слизистой оболочки кишечника, короче говоря – во всех клетках данного конкретного организма содержится один и тот же набор ДНК, абсолютно идентичный. Иначе и быть не может, ведь любой многоклеточный организм, столь великолепный в своем разнообразии, развивается из одной-единственной клетки – яйцеклетки, оплодотворенной сперматозоидом.

Но при этом клетки разных органов и тканей очень сильно, иногда – просто невероятно, отличаются друг от друга.

Один генетический код – и такое разнообразие? Каким образом?

Дело в том, что мало иметь код, надо уметь правильно читать его.

Код – это запись, реестр, состоящий из множества пунктов, множества генов. Если считывать информацию с одних генов, но игнорировать другие, то получатся клетки костной ткани. При ином раскладе – клетки печени. Признаки организма определяются не только его генетическим кодом, но и тем, какие именно гены будут активированы для считывания информации при создании тех или иных клеток.

Раздел генетики, изучающий механизмы изменения активности генов или признаков организма без изменения последовательности ДНК, называется эпигенетикой. У этой науки очень точное название, переводящееся как «на генетике» (греческое «эпи-» указывает пребывание на чем-то, поверх чего-то). Как метко выразился британский биолог Питер Медавар: «Генетика предполагает, а эпигенетика располагает». Природа может «писать» какие угодно коды, но все зависит от того, как именно эти коды будут реализованы.

Одноклеточные организмы, образующие пленку колоний-кластеров, могут «включать» те гены, которые придают их мембранам особую прочность. Другие организмы того же кластера могут «включать» гены, стимулирующие выработку расщепляющих ферментов. Ну и так далее… Если эту способность к включению и выключению определенных генов наложить на бесконечный случайный поток мутаций, то кластер одноклеточных организмов получит неплохие шансы превратиться в многоклеточный организм, ведь к случайным мутациям добавится возможность считывать информацию с нужных генов.

«Но позвольте! – скажут сейчас читатели, сведущие в генетике. – Приобретенные в течение жизни признаки не наследуются, это и ежу известно. Например, шея у жирафа вытянулась не из-за стремления к высоко расположенным листьям, а из-за того, что на протяжении многих поколений больше шансов на выживание и оставление потомства имели особи с более длинной шеей. Они могли питаться листьями, которые были недоступны их собратьям, следовательно, они питались лучше, были крупнее, сильнее, здоровее и оставляли больше потомства, чем особи с короткой шеей. … Со временем «длинношеесть» закрепилась у жирафов в геноме».

Да, так оно и есть, случайно возникшая «длинношеесть» закрепилась у жирафов в геноме, поскольку оказалась полезным признаком. Однако недавно выяснилось, что молекулы РНК, блокирующие считывание информации с определенных участков молекул ДНК, могут попадать в оплодотворенную яйцеклетку с цитоплазмой и содержимым ядер яйцеклетки и сперматозоида.

Не обязаны попадать, как молекулы ДНК, которые в обязательном порядке передаются дочерним клеткам от материнской, но могут попадать… А, попав в оплодотворенную яйцеклетку, эти молекулы копируются и передаются от клетки к клетке при делении. Вот вам и механизм передачи приспособительных модификаций по наследству.

Одни и те же клетки могут становиться «честными» или «обманщиками» (генеративными) вследствие различного считывания генетической информации, без наследуемого изменения ее! Все определяется ситуацией, внешними факторами, условиями окружающей среды.

Обратите особое внимание на следующее обстоятельство. Способность безъядерной клетки к модификационной изменчивости гораздо ниже аналогичной способности эукариотической (ядерной) клетки. Изоляция наследственного материала в клеточном ядре способствует более лучшей регуляции активности генов, позволяет считывать информацию более направленно. Образно говоря, спрятавшись за ядерной оболочкой от того хаоса, который царит в цитоплазме клетки, гены получают возможность спокойно решить, кто именно будет предоставлять информацию для синтеза белков и создать инструменты, необходимые для правильного считывания информации. Возможно именно по этой причине все многоклеточные организмы относятся к прокариотам.

На организменном уровне организации жизни впервые появились процессы, выражающие ее сущность, такие как обмен веществ и энергии или способность к размножению.

На организменном уровне осуществляется общение между особями как внутри одного вида, так и между видами – одни виды питаются другими и т. д.

Благодаря постоянству своей внутренней среды, организмы создают в биосфере особую среду жизни – биотическую, в которой они выступают в качестве хозяев, обеспечивающих проживание других организмов. Другие организмы могут селиться как внутри организма-хозяина, так и на нем. В организме человека, преимущественно на коже и в толстой кишке, в норме обитает несколько тысяч видов бактерий. Это наши естественные сожители, микроорганизмы, которые не причиняют нам никакого вреда.

В завершение главы – программный вопрос.

В чем выражается глобальная роль организмов и организменного уровня организации жизни в целом?

Она заключается в поддержании структуры и устойчивости биосферы. Организмы, как непосредственные участники пищевых цепей,[59] обеспечивают биологический круговорот и трансформацию энергии в биогеоценозах.

Интересное происхождение имеет слово «организм». Оно происходит от латинского «организо», означающего «упорядочение», «приведение в стройный вид», а «организо», в свою очередь, происходит от греческого «органон» – «орудие». Организм – это орудие, преобразующее природу, как-то так.