Страница:
Мы опубликовали несколько работ (упомянутые книги и статью в журнале «Вестник РАН» в мартовском номере за текущий год), где предложили такую трактовку и такую концепцию. Последующие работы различных авторов, многие примеры подтверждают то, что это подход, который себя оправдывает.
В биологии мы всегда интересуемся эволюционным подходом. Если рассматривать феромоны с этой точки зрения, то можно сделать интересные выводы, увидеть эволюцию в новом свете. Известно, что феромоны существуют не только у насекомых, не только у высших организмов, но также и у одноклеточных организмов. Давайте представим себе, что древние одноклеточные организмы в ходе эволюции стали объединяться и образовывать многоклеточные организмы. Посмотрим на следующий рисунок, где от одноклеточных организмов эволюция ведет к многоклеточным. Направление эволюции обозначено стрелкой. Обратим внимание на эту стрелочку, на момент эволюционного перехода от одноклеточных организмов к их постоянной ассоциации, т.е. к многоклеточному организму. Спрашивается, что тогда могло происходить с теми феромонами, которыми пользовались эти древние одноклеточные организмы?
Здесь вырисовывается такая картина, которую можно увидеть по аналогии с картиной эволюционного перехода морских организмов к жизни на суше. Мы часто говорим о том, что древние организмы вышли из моря на сушу и унесли с собой частицу океана в своей крови. Этот красивый образ имеет под собой научную основу. И если продолжить эту аналогию, то тогда возникает возможность увидеть эволюционную судьбу феромонов. В упомянутых выше книгах мы обосновываем следующую предполагаемую картину: феромоны, которые передавали сигнал от клетки к клетке, продолжают выполнять эту функцию, уже находясь в составе многоклеточного организма. Тогда эти вещества, ранее именовавшиеся феромонами, уже выступают как то, что мы называем гормонами (переносчиками сигналов от клетки к другой клетке того же организма). Интересно, что можно продолжить эту линию мыслей, и тогда мы по-новому увидим нервную систему. Известно, что наши нервные клетки, как и клетки всех многоклеточных организмов, передают сигналы друг другу с помощью химического вещества. Эти вещества называются медиаторами. Они очень важны для нейробиологии. И их эволюционное происхождение можно представить себе таким же образом – как эволюционное продолжение функций феромонов древних одноклетоных организмов, в ходе эволюции ставших клетками нервной системы многоклеточного организма.
Теперь перейдем к некоторым примерам экологических хеморегуляторов в водных сообществах. Позвольте привести некоторые конкретные примеры, с тем чтобы дополнить ту интересную картину, которую мы увидели на примере лесных экосистем, и мы увидим нечто подобное – в совершенно других организмах.
Здесь, на этой иллюстрации, голубой краб Callinectes sapidus. У этого краба размножение происходит таким образом, что самка в возрасте около трех лет впервые начинает размножаться. Самка голубого краба встречается с самцом всего лишь один раз в жизни. Но эта единственная встреча для нее очень важна – это первая и последняя любовь в ее жизни и единственный акт разделенной любви. Она получает от него мужские половые клетки, которые она бережно и рачительно использует всю оставшуюся жизнь. После этой единственной встречи со своим возлюбленным оказывается, что она получила от него достаточно гамет (мужских половых клеток), чтобы в течение нескольких лет потом отложить несколько миллионов яичек. Ясное дело, что эта встреча с возлюбленным очень важна для нее. И для того чтобы она произошла, самка использует половой феромон, чарующее и манящее воздействие которого на самца совершенно неотразимо. Структура этого феромона – вещества истинной и единственной любви – установлена, это так называемый крустэкдизон (смотрите на этом рисунке его формулу). Интересно, что этот феромон является химическим родственником половых гормонов человека. То есть на уровне этой функции и тех веществ, которые задействованы в половом размножении, оказывается, что мы, люди, очень близки многим водным животным. Мы – существа очень близкие, несмотря на то, что это – беспозвоночные водные животные (ракообразные, одна из крупнейших групп типа членистоногих), а мы относимся к позвоночным животным (класс млекопитающих).
Еще некоторые интересные примеры. Крабы относятся к бентическим (то есть живущим на дне) организмам. Бентические организмы образуют сообщество бентоса – сообщество той части экосистемы, которая связана с донной частью моря и вообще любого водоема. Но еще существует очень важная часть экосистемы, которую называют пелагиаль (то есть сообщество водной толщи), там живут планктонные организмы.
Здесь мы видим одного из представителей зоопланктона – копеподу Eurytemora affinis. У них тоже имеются половые феромоны, и ими пользуются эти организмы для того, чтобы найти друг друга для осуществления размножения.
Здесь, на этом рисунке – еще один представитель планктонных организмов – пресноводные креветки Paratya compressa. У них есть феромон, который стимулирует развитие яичников.
На этом слайде еще один планктонный организм – рачок Polyphemus pediculus, – у которого есть химические вещества, которые, как показано, стимулируют дыхание и двигательную активность. То есть очень многие аспекты жизни и функционирования организмов определяются и регулируются химическими веществами.
Мог бы возникнуть вопрос, а существуют ли вещества, которые наоборот подавляют, не стимулируют, а подавляют? Да, существуют. Вот ингибитор роста у пресноводных креветок Macrobrachium rosenbergii. И кстати, это один из примеров того, как вещество регулируется таким образом, что ограничивает потенциал к размножению, так что достигается то, о чем говорил Александр Сергеевич, когда определенный коэффициент роста именно такой, какой он должен быть, чтобы не выйти за пределы экологической емкости системы.
А.Г. А от чего зависит интенсивность выделения этого ингибитора роста? От плотности популяции?
С.О. Да. Как раз получается, что тут идет очень осмысленная регуляция.
А.И. Да, вы знаете, вообще вещь поразительная. Если бы насекомых ничто не сдерживало, они, как любой вид, уходили бы в бесконечность по плотности. Понимаете? Но тут речь идет о том, что механизм регуляции связан еще с запаздыванием системы регуляции. Регуляторы с большим запаздыванием, то есть скорость размножения которых близка к скорости размножения жертвы, имеют большую инерцию. Поэтому он и может выскочить через пороговое значение и двигаться. А дальше вступают в действие механизмы с очень малой инерцией. Скажем, микроорганизмы, они значительно быстрее размножаются, чем насекомые. И траектория как бы вязнет в этой массе, и начинает снижаться коэффициент размножения и скорость, а потом уже снижается численность.
С.О. Позвольте мне еще на одну вещь обратить внимание. Я совершенно не затрагивал вопрос о количественных концентрациях. И вот позвольте на это обратить внимание, поскольку это очень важно и для наземных организмов, и для водных.
Здесь показан морской красивый организм – очень интересные существа, это морское беспозвоночное животное, похожее на подводную хризантему с живыми, двигающимися лепестками – актиния, которая распускает очень красивые щупальца и очень красиво выглядит. Не случайно ее латинское название – Anthopleura elegantissima – что означает в переводе – «в высшей, предельной степени элегантная». И на изображении она красиво выглядит. Но если ее поранить, то не только она сжимает щупальца, но и соседние актинии чувствуют, что что-то произошло – и тоже убирают, сжимают эти щупальца.
Оказалось, что эффективность того феромона тревоги, который как раз передает этот сигнал, такова, что действует – здесь показано на рисунке – всего лишь концентрация 10 в минус десятой моля. Эта концентрация, если ее в более понятных терминах выразить, означает, что чайную ложку этого вещества можно добавить на 10 тысяч тонн воды. И этого будет достаточно, чтобы актиния почувствовала такую маленькую концентрацию. И это типичный случай, это не рекорд, это типичная эффективность действия феромона.
Позвольте еще очень интересные некоторые примеры. Это вещества химические, которые выделяются этой – на рисунке – маленькой красивой рыбкой Pardachirus pavoninus, 10–20 сантиметров размером, но она отпугивает акул этим веществом. Ясно, что это очень интересное практическое значение может иметь.
Среди природных веществ, важных для регуляции экологических отношений, в беседе уже были упомянуты репелленты и токсины. Один из примеров – токсин с названием тетродотоксин. Это – страшный яд. Он вырабатывается приятными такими симпатичными рыбками из семейства Иглобрюхие (другие названия этого семейства – Скалозубовые или Рыбы-собаки) – вот на рисунке. Интересно, что туда входят рыбы Fugu rubripes (бурый фугу, или бурая рыба-собака), из которых на Востоке готовят знаменитое и почитаемое в Японии блюдо фугу. И кстати, потому требуется большое искусство в приготовлении – если там попадется этот тетродотоксин, это смертельный исход. Если это мясо рыб-иглобрюхов готовится несведущими дилетантами, то в 60 случаях из ста дегустирование такого блюда приводит к смерти.
Закономерно, что нас всегда интересуют вопросы прикладного использования, как говорил Александр Сергеевич, это очень полезный, очень эффективный способ регуляции и управления лесными экосистемами.
Но точно так же это очень полезно для сельского хозяйства, поскольку на этом базируется один из способов интегральной системы защиты растений. Это один из важных аспектов биотехнологии, поскольку это очень полезные химические вещества, относящиеся к вторичным метаболитам. Это используется в аквакультуре, поскольку там необходимо повышать ее эффективность, мы говорили о том, что есть ингибиторы роста, которые как раз и будут ингибировать, если не обращать на них внимание. И это очень интересный способ использования феромонов и других химических регуляторов. Применение экологических хемомедиаторов и хеморегуляторов (феромоны и другие) – это интересный способ уменьшить использование более опасных пестицидов. Это дает возможность более избирательно подходить к применению ядохимикатов и тем самым уменьшить их дозировку, уменьшить внесение токсичных агрохимикатов в сельскохозяйственные посевы и окружающую среду. Тут перспективы практического использования фантастические.
А.Г. А насколько легко синтезируются эти вещества, и насколько они дешевы при этом?
С.О. Поразительным образом некоторые из них очень просты по структуре. То есть на первый взгляд кажется, что это что-то должно быть замысловатое. Очень часто это простые вещества. Иногда это комбинация простого и более сложного вещества. Но здесь самое главное – это работа ученого по выявлению и по определению химического состава. Дальше уже все гораздо проще.
А.И. Вы знаете, парадоксально, но есть вещи, которые с другой стороны совершенно по иному смотрятся. В защите леса, как правило, надо как-то сгруппировать насекомых, собрать их в кучу, с помощью феромонов, такое общее мнение существует, и затем уничтожить. Но оказалось, что значительно проще использовать другой метод – разредить популяцию, дать ей уйти, угнать ее опять в разреженное состояние, чтобы она крутилась вокруг этой точки X1 знаменитой, о которой я говорил. А для этого можно использовать репеллент, которым можно их пугнуть, просто разогнать. Репеллент – это отталкивающие вещества, они и растительного происхождения есть, и синтезированные, их можно подобрать экспериментально. Разогнав (разредив) популяцию насекомых, мы отдадим ее на съедение экосистеме – лесному биогеоценозу. Потому что как только численность начнет снижаться, популяция уже не удержится на пике вспышки и двинется в разреженное состояние, она покатится с горки, «с ярмарки поедет». Понимаете? Такой метод мы предложили в свое время. И он очень заинтересовал специалистов у нас и за рубежом. Метод использования репеллентов весьма перспективен и достаточно интересно развивается.
C.О. Интересно, что с учетом повсеместного действия факторов регуляции – в том числе экологических хеморегуляторов – возникает совершенно новая общая картина биосферы, обрисованная в наших книгах и проиллюстрированная в этой беседе.
Первое. Вся биосфера объединена воедино сетью химических и иных связей, веществами, передающими информацию и регуляторные воздействия. Эта степень объединенности, интегрированности биосферы гораздо сильнее, чем думали ранее. Получается, что по степени объединенности в единое целое биосфера напоминает единое сверхсложное существо. Если использовать язык метафоры и художественных образов, то это свехсложное существо чем-то похоже, может быть, на то, что нарисовало воображение фантаста Станислава Лема и Андрея Тарковского в фильме «Солярис». Во всяком случае, представление о глобальном суперорганизме основано не на пустом месте. Не удивительно, что и некоторые современные ученые видят биосферу и даже Землю в целом как сверхорганизм (Джеймс Лавлок, James Lovelock) в Англии, его книги «Gaia: A New Look at Life on Earth»; «The Ages of Gaia»).
Второе. Поведение и действия живых организмов очень сильно детерминированы регуляторными воздействиями других организмов. Практически не остается места для свободы. Свобода живой природы, свобода в жизни живых существ иллюзорна. Есть элемент случайности, но это еще не свобода. Получается, что в биосфере все или почти все структурировано и детерминировано, свободы (в нашем понимании – как свободы выбора, как реализации полета воображения и фантазии, как идеала нашей мечты) просто нет. Это новое видение биосферы, новое видение устройства мира, который нас окружает и из которого мы возникли (или в который мы погружены) как живые существа с определенным уровнем организации нервной системы и психики, как люди…
А.Г. Очень интересно! Получается – это новый детерминизм?
С.О. Да, совершенно верно. Новый детерминизм в устройстве и функционировании биосферы, новая сторона в видении детерминизма как важнейшей особенности устройства мира.
Хотя мы не нашли сладостной нашему сердцу свободы, разрешите мне – хотя, кажется, наше время уже истекло – в заключительный миг оторваться от строго научной, суровой и прозаической реальности и окончить в другой тональности, выраженной словами Максимилиана Волошина, который тоже признал, что «свободы нет», но на этом не остановился. Вот слова Волошина («Таноб», 1926):
Теория асимметрии мозга
Участник:
Виген Артаваздович Геодакян – кандидат технических и доктор биологических наук
Виген Геодакян: До появления жизни на Земле были простые молекулы и сразу следующий уровень – ценоз: океан или атмосфера. Не было огромного количества уровней организации. С возникновением жизни появилась дискретность во времени: поколения и другие фазы, и в пространстве масса разных форм: клетки, организмы, виды и т.д. Как это могло произойти? Только одним способом – если непрерывно происходили дивергентные процессы, из одного – два: (1V2).
Рост дисперсии элементов унитарных систем (УС) неизбежно превращает их в бинарно-сопряженные дифференциации (БСД). Следовательно, в живой природе должно быть очень много двойных систем, которые не «забыли» еще свое происхождение от унитарной. Оказывается, действительно их очень много и они помнят о своем происхождении. В биологии: ДНК-белки, ядро-цитоплазма, генотип-фенотип, два пола, два полушария, правши-левши и т.д. Бинарных систем много среди физико-химических: обобщенные заряды и потенциалы; социальных: государство-правительство, больница-поликлиника, в спорте защита-нападение, в суде защита-обвинение; в технике: киль-руль корабля, стабилизаторы-рули ракеты и т.д. и т.п. Они всегда состоят из консервативных (первые в приведенных парах) и оперативных подсистем (КП, ОП), с дисперсией фенотипов ОП > КП. Это создает бимодальную популяцию с последовательным получением информации от среды (Е): ЕОПКП и поочерёдной, асинхронной эволюцией подсистем: сперва ОП, потом КП. При этом отбору «платит» только ОП, а более ценная КП эволюционирует «бесплатно», т.е. асинхронная эволюция экономнее синхронной. В этом эволюционный смысл всех БСД.
В схеме адаптогенеза Дарвина дело обстоит так: наступает ледниковый период, у животных становится гуще шерсть и толще подкожный жир. Значит, среда играет роль некоего экологического потенциала, заставляющего эволюционировать живые системы. Поэтому, если сравнить его с электрическим, то аналогом системы будет лампочка. Простейшая схема – батарея и одна лампочка. Это аналог унитарной системы бесполой, симметричной и т.д. С появлением второй лампочки возникает два варианта соединения: параллельное или последовательное. Первое ничего нового не дает, а второе – создает принципиально новую структуру. Оказывается все БСД – структурные аналоги последовательного включения лампочек, тогда как УС – параллельного или одной лампочки.
Два века назад, пока мы не знали законов электричества, не понимали, чем отличается последовательное включение от параллельного, не могли пользоваться электрическим утюгом или наряжать елку. Сегодня мы в таком же положении находимся в биологии. Все биологические теории, в том числе и главные парадигмы 20 века: классическая генетика и дарвинизм, по умолчанию – теории унитарных систем. Они не могут объяснить бинарные системы, так же как в плоскости не решается объемная задача. Биология должна перейти от мономодальных популяций, с непосредственным контактом со средой и синхронной эволюцией, к бимодальным, к популяциям с опосредованным контактом и асинхронной эволюцией, т.е. от «синхронных» теорий к «асинхронным». Только такие теории смогут объяснить бинарные системы, которые, как эволюционно более прогрессивные, для нас интереснее, чем более примитивные унитарные.
Приведу один пример. 20 лет назад две группы английских ученых сделали интересное открытие. Они скрещивали самца и самку мышей, потом кесаревым сечением извлекали оплодотворенные яйцеклетки до слияния мужского и женского пронуклеусов в общее ядро зиготы. Одну клетку не трогали – она служила контролем. Из второй извлекали отцовской пронуклеус и заменяли её материнским из третьей, и наоборот. Таким образом получили возможность сравнить три типа скрещивания: самка-самец, самка-самка и самец-самец. Изготовленные таким образом яйцеклетки имплантировали приемным матерям. Мышата от отца и матери рождались через 21 день, а от «однополых» родителей – гибли, не доживая до рождения. Тогда, на десятые сутки беременности делали кесарево сечение и смотрели, в чем дело, почему они гибнут, чего им не хватает. Оказалось, там, где скрещивают двух самок между собой, почти нормальный эмбрион, но ненормально маленькая плацента. Там, где двух самцов, – все наоборот. Ненормально маленький эмбрион и огромная, больше чем в норме, плацента. Как это может быть, что это значит? Это значит, что развитие сугубо женского органа – плаценты определяют мужские гены, а «общего» эмбриона – женские.
Ни одна теория не может объяснить этот парадокс. И 20 лет он остается загадкой. На самом деле очень просто. Плацента – это эволюционно новый орган, поэтому её гены находятся еще в мужском геноме, еще не дошли до женского генома, или же дошли, но еще закрыты. А эмбрион – это древняя информация, которую мы получаем от своих матерей, т.е. новые признаки женщин определяют мужские гены, а старые признаки мужчин – женские. Я еще вернусь к этому. Об этом, об эволюционной теории полов, я рассказывал в первом своем выступлении на этой программе, о теории дифференциации хромосом и «номадических генов» – во-втором. Сегодня, на основе той же идеологии и того же подхода расскажу о новых изоморфных теориях БСД: асимметрии организмов, мозга и тела. Все теории БСД изорморфны. В их основе лежит одна и та же идея дихронной эволюции подсистем.
Как говорил Козьма Прутков: «зри в корень и бди» (добавлю, «и мимо не проходи!»). Перейду к корням. В 80-е годы, заинтересовавшись асимметрией, я узнал, что существует классификация форм симметрии организмов – классика нашей биологии Беклемишева. Он сопоставил организмы разных типов симметрии с их эволюционной прогрессивностью и расположил их в следующий ряд. В начале ряда он поместил амёбу, как более примитивное существо, чем одноклеточные шаровой симметрии, которым он дал второе место. Третье место заняли организмы радиальной симметрии – морские звезды, медузы, а на четвертое место попали билатерально симметричные организмы – рыбы, насекомые, позвоночные, т.е. все прогрессивные виды, среди них и человек.
Такая классификация показалась мне неверной, и в 93-м году я предложил другую. Амёба в этом ряду неуместна, потому что она, хоть и проще одноклеточных шаровой симметрии, но она бесформенна, и ей не место в классификации форм. Значит, амёбу надо убрать. Но так как наш трехмерный мир, в принципе, допускает четыре типа симметрии (по каждой оси или симметрия, или асимметрия: ссс, асс, аас, ааа), то Беклемишев число типов угадал правильно, но тип ааа поместил не там, где надо, и честь представить этот тип отдал не тем, кому надо. Я предложил типом ааа считать не амёбу, а человека. Что значит ааа? Это значит, что у организма имеются три асимметрии: разные спина-брюхо, нос-хвост и левое-правое. У амёбы их нет! Но, заменив амёбу на человека, естественно, его надо поместить не в начале ряда, а в конце.
Тогда соблюдается эволюционная логика: постепенный переход от абсолютной симметрии до полной асимметрии, по числу асимметричных осей: 0–1–2–3, а было: 3–0–1–2, т.е. устраняется алогичный «революционный» скачок на эволюционном пути от ссс к ааа. До этого «венцом» эволюции по асимметрии считали билатерально-симметричные организмы: от примитивного ланцетника до рыб, и в этой компании – человек. По новой же концепции, этот тип не последний, он кончается латерально-симметричным опоссумом, а все высшие формы млекопитающих – китообразные, приматы во главе с человеком – выделяются в новый тип ааа – триаксиально асимметричных организмов, того же эволюционного ранга. Согласно эволюционной теории пола, был предсказан более асимметричный мозг у мужчин и более симметричный у женщин, что говорило бы о том, что асимметризация продолжается. Работы McGlon, Witelson, Kimura, Waber подтвердили это. Я специально ссылался только на авторов-женщин, чтобы их не заподозрили в антифеминизме. Согласно закону рекапитляции, в эмбриогенезе прослеживаются те же 4 типа: шаровая зигота, радиальная бластула, билатерально-симметричный эмбрион и триаксиально асимметричный новорожденный ребенок. В том же порядке асимметризируется и мозг человека.
Абсолютно то же самое происходило и с органами растений. Например, билатерально-симметричные цветки дельфиниума и львиного зева эволюционно более прогрессивны, чем радиально симметричные цветки розы и лютика, но менее прогрессивны, чем полностью асимметричные цветки канны и валеряны. Лист прошел те же стадии от шаровой хлореллы, радиальной хвои, билатерально симметричного магнолиевого до триаксиально асимметричного бегониевого листа. В будущем наше лицо будет как лист бегонии. Левая половина лица маленькая, правая половина – большая у взрослых людей и наоборот – у эмбрионов. Между прочим, уже сейчас это заметно, если обратить внимание. Значит, мы со временем станем совсем некрасивы. Одно утешение, что эволюция «скособочит» в первую очередь мужчин, а женщины еще долго будут красивые. Но так как эволюционируют не только формы, но и вкусы, то у женщин непременно появится мода на прогрессивных «косоликих» мужчин. Женщинам всегда нравится половой диморфизм, как продвинутый признак – например, высокий рост. Как говорил О. Бендер «девушки любят длинноногих». Если бы существовал мельчающий этнос, то их девушки были бы равнодушны к более рослым мужчинам и обожали бы коротышек.
В биологии мы всегда интересуемся эволюционным подходом. Если рассматривать феромоны с этой точки зрения, то можно сделать интересные выводы, увидеть эволюцию в новом свете. Известно, что феромоны существуют не только у насекомых, не только у высших организмов, но также и у одноклеточных организмов. Давайте представим себе, что древние одноклеточные организмы в ходе эволюции стали объединяться и образовывать многоклеточные организмы. Посмотрим на следующий рисунок, где от одноклеточных организмов эволюция ведет к многоклеточным. Направление эволюции обозначено стрелкой. Обратим внимание на эту стрелочку, на момент эволюционного перехода от одноклеточных организмов к их постоянной ассоциации, т.е. к многоклеточному организму. Спрашивается, что тогда могло происходить с теми феромонами, которыми пользовались эти древние одноклеточные организмы?
Здесь вырисовывается такая картина, которую можно увидеть по аналогии с картиной эволюционного перехода морских организмов к жизни на суше. Мы часто говорим о том, что древние организмы вышли из моря на сушу и унесли с собой частицу океана в своей крови. Этот красивый образ имеет под собой научную основу. И если продолжить эту аналогию, то тогда возникает возможность увидеть эволюционную судьбу феромонов. В упомянутых выше книгах мы обосновываем следующую предполагаемую картину: феромоны, которые передавали сигнал от клетки к клетке, продолжают выполнять эту функцию, уже находясь в составе многоклеточного организма. Тогда эти вещества, ранее именовавшиеся феромонами, уже выступают как то, что мы называем гормонами (переносчиками сигналов от клетки к другой клетке того же организма). Интересно, что можно продолжить эту линию мыслей, и тогда мы по-новому увидим нервную систему. Известно, что наши нервные клетки, как и клетки всех многоклеточных организмов, передают сигналы друг другу с помощью химического вещества. Эти вещества называются медиаторами. Они очень важны для нейробиологии. И их эволюционное происхождение можно представить себе таким же образом – как эволюционное продолжение функций феромонов древних одноклетоных организмов, в ходе эволюции ставших клетками нервной системы многоклеточного организма.
Теперь перейдем к некоторым примерам экологических хеморегуляторов в водных сообществах. Позвольте привести некоторые конкретные примеры, с тем чтобы дополнить ту интересную картину, которую мы увидели на примере лесных экосистем, и мы увидим нечто подобное – в совершенно других организмах.
Здесь, на этой иллюстрации, голубой краб Callinectes sapidus. У этого краба размножение происходит таким образом, что самка в возрасте около трех лет впервые начинает размножаться. Самка голубого краба встречается с самцом всего лишь один раз в жизни. Но эта единственная встреча для нее очень важна – это первая и последняя любовь в ее жизни и единственный акт разделенной любви. Она получает от него мужские половые клетки, которые она бережно и рачительно использует всю оставшуюся жизнь. После этой единственной встречи со своим возлюбленным оказывается, что она получила от него достаточно гамет (мужских половых клеток), чтобы в течение нескольких лет потом отложить несколько миллионов яичек. Ясное дело, что эта встреча с возлюбленным очень важна для нее. И для того чтобы она произошла, самка использует половой феромон, чарующее и манящее воздействие которого на самца совершенно неотразимо. Структура этого феромона – вещества истинной и единственной любви – установлена, это так называемый крустэкдизон (смотрите на этом рисунке его формулу). Интересно, что этот феромон является химическим родственником половых гормонов человека. То есть на уровне этой функции и тех веществ, которые задействованы в половом размножении, оказывается, что мы, люди, очень близки многим водным животным. Мы – существа очень близкие, несмотря на то, что это – беспозвоночные водные животные (ракообразные, одна из крупнейших групп типа членистоногих), а мы относимся к позвоночным животным (класс млекопитающих).
Еще некоторые интересные примеры. Крабы относятся к бентическим (то есть живущим на дне) организмам. Бентические организмы образуют сообщество бентоса – сообщество той части экосистемы, которая связана с донной частью моря и вообще любого водоема. Но еще существует очень важная часть экосистемы, которую называют пелагиаль (то есть сообщество водной толщи), там живут планктонные организмы.
Здесь мы видим одного из представителей зоопланктона – копеподу Eurytemora affinis. У них тоже имеются половые феромоны, и ими пользуются эти организмы для того, чтобы найти друг друга для осуществления размножения.
Здесь, на этом рисунке – еще один представитель планктонных организмов – пресноводные креветки Paratya compressa. У них есть феромон, который стимулирует развитие яичников.
На этом слайде еще один планктонный организм – рачок Polyphemus pediculus, – у которого есть химические вещества, которые, как показано, стимулируют дыхание и двигательную активность. То есть очень многие аспекты жизни и функционирования организмов определяются и регулируются химическими веществами.
Мог бы возникнуть вопрос, а существуют ли вещества, которые наоборот подавляют, не стимулируют, а подавляют? Да, существуют. Вот ингибитор роста у пресноводных креветок Macrobrachium rosenbergii. И кстати, это один из примеров того, как вещество регулируется таким образом, что ограничивает потенциал к размножению, так что достигается то, о чем говорил Александр Сергеевич, когда определенный коэффициент роста именно такой, какой он должен быть, чтобы не выйти за пределы экологической емкости системы.
А.Г. А от чего зависит интенсивность выделения этого ингибитора роста? От плотности популяции?
С.О. Да. Как раз получается, что тут идет очень осмысленная регуляция.
А.И. Да, вы знаете, вообще вещь поразительная. Если бы насекомых ничто не сдерживало, они, как любой вид, уходили бы в бесконечность по плотности. Понимаете? Но тут речь идет о том, что механизм регуляции связан еще с запаздыванием системы регуляции. Регуляторы с большим запаздыванием, то есть скорость размножения которых близка к скорости размножения жертвы, имеют большую инерцию. Поэтому он и может выскочить через пороговое значение и двигаться. А дальше вступают в действие механизмы с очень малой инерцией. Скажем, микроорганизмы, они значительно быстрее размножаются, чем насекомые. И траектория как бы вязнет в этой массе, и начинает снижаться коэффициент размножения и скорость, а потом уже снижается численность.
С.О. Позвольте мне еще на одну вещь обратить внимание. Я совершенно не затрагивал вопрос о количественных концентрациях. И вот позвольте на это обратить внимание, поскольку это очень важно и для наземных организмов, и для водных.
Здесь показан морской красивый организм – очень интересные существа, это морское беспозвоночное животное, похожее на подводную хризантему с живыми, двигающимися лепестками – актиния, которая распускает очень красивые щупальца и очень красиво выглядит. Не случайно ее латинское название – Anthopleura elegantissima – что означает в переводе – «в высшей, предельной степени элегантная». И на изображении она красиво выглядит. Но если ее поранить, то не только она сжимает щупальца, но и соседние актинии чувствуют, что что-то произошло – и тоже убирают, сжимают эти щупальца.
Оказалось, что эффективность того феромона тревоги, который как раз передает этот сигнал, такова, что действует – здесь показано на рисунке – всего лишь концентрация 10 в минус десятой моля. Эта концентрация, если ее в более понятных терминах выразить, означает, что чайную ложку этого вещества можно добавить на 10 тысяч тонн воды. И этого будет достаточно, чтобы актиния почувствовала такую маленькую концентрацию. И это типичный случай, это не рекорд, это типичная эффективность действия феромона.
Позвольте еще очень интересные некоторые примеры. Это вещества химические, которые выделяются этой – на рисунке – маленькой красивой рыбкой Pardachirus pavoninus, 10–20 сантиметров размером, но она отпугивает акул этим веществом. Ясно, что это очень интересное практическое значение может иметь.
Среди природных веществ, важных для регуляции экологических отношений, в беседе уже были упомянуты репелленты и токсины. Один из примеров – токсин с названием тетродотоксин. Это – страшный яд. Он вырабатывается приятными такими симпатичными рыбками из семейства Иглобрюхие (другие названия этого семейства – Скалозубовые или Рыбы-собаки) – вот на рисунке. Интересно, что туда входят рыбы Fugu rubripes (бурый фугу, или бурая рыба-собака), из которых на Востоке готовят знаменитое и почитаемое в Японии блюдо фугу. И кстати, потому требуется большое искусство в приготовлении – если там попадется этот тетродотоксин, это смертельный исход. Если это мясо рыб-иглобрюхов готовится несведущими дилетантами, то в 60 случаях из ста дегустирование такого блюда приводит к смерти.
Закономерно, что нас всегда интересуют вопросы прикладного использования, как говорил Александр Сергеевич, это очень полезный, очень эффективный способ регуляции и управления лесными экосистемами.
Но точно так же это очень полезно для сельского хозяйства, поскольку на этом базируется один из способов интегральной системы защиты растений. Это один из важных аспектов биотехнологии, поскольку это очень полезные химические вещества, относящиеся к вторичным метаболитам. Это используется в аквакультуре, поскольку там необходимо повышать ее эффективность, мы говорили о том, что есть ингибиторы роста, которые как раз и будут ингибировать, если не обращать на них внимание. И это очень интересный способ использования феромонов и других химических регуляторов. Применение экологических хемомедиаторов и хеморегуляторов (феромоны и другие) – это интересный способ уменьшить использование более опасных пестицидов. Это дает возможность более избирательно подходить к применению ядохимикатов и тем самым уменьшить их дозировку, уменьшить внесение токсичных агрохимикатов в сельскохозяйственные посевы и окружающую среду. Тут перспективы практического использования фантастические.
А.Г. А насколько легко синтезируются эти вещества, и насколько они дешевы при этом?
С.О. Поразительным образом некоторые из них очень просты по структуре. То есть на первый взгляд кажется, что это что-то должно быть замысловатое. Очень часто это простые вещества. Иногда это комбинация простого и более сложного вещества. Но здесь самое главное – это работа ученого по выявлению и по определению химического состава. Дальше уже все гораздо проще.
А.И. Вы знаете, парадоксально, но есть вещи, которые с другой стороны совершенно по иному смотрятся. В защите леса, как правило, надо как-то сгруппировать насекомых, собрать их в кучу, с помощью феромонов, такое общее мнение существует, и затем уничтожить. Но оказалось, что значительно проще использовать другой метод – разредить популяцию, дать ей уйти, угнать ее опять в разреженное состояние, чтобы она крутилась вокруг этой точки X1 знаменитой, о которой я говорил. А для этого можно использовать репеллент, которым можно их пугнуть, просто разогнать. Репеллент – это отталкивающие вещества, они и растительного происхождения есть, и синтезированные, их можно подобрать экспериментально. Разогнав (разредив) популяцию насекомых, мы отдадим ее на съедение экосистеме – лесному биогеоценозу. Потому что как только численность начнет снижаться, популяция уже не удержится на пике вспышки и двинется в разреженное состояние, она покатится с горки, «с ярмарки поедет». Понимаете? Такой метод мы предложили в свое время. И он очень заинтересовал специалистов у нас и за рубежом. Метод использования репеллентов весьма перспективен и достаточно интересно развивается.
C.О. Интересно, что с учетом повсеместного действия факторов регуляции – в том числе экологических хеморегуляторов – возникает совершенно новая общая картина биосферы, обрисованная в наших книгах и проиллюстрированная в этой беседе.
Первое. Вся биосфера объединена воедино сетью химических и иных связей, веществами, передающими информацию и регуляторные воздействия. Эта степень объединенности, интегрированности биосферы гораздо сильнее, чем думали ранее. Получается, что по степени объединенности в единое целое биосфера напоминает единое сверхсложное существо. Если использовать язык метафоры и художественных образов, то это свехсложное существо чем-то похоже, может быть, на то, что нарисовало воображение фантаста Станислава Лема и Андрея Тарковского в фильме «Солярис». Во всяком случае, представление о глобальном суперорганизме основано не на пустом месте. Не удивительно, что и некоторые современные ученые видят биосферу и даже Землю в целом как сверхорганизм (Джеймс Лавлок, James Lovelock) в Англии, его книги «Gaia: A New Look at Life on Earth»; «The Ages of Gaia»).
Второе. Поведение и действия живых организмов очень сильно детерминированы регуляторными воздействиями других организмов. Практически не остается места для свободы. Свобода живой природы, свобода в жизни живых существ иллюзорна. Есть элемент случайности, но это еще не свобода. Получается, что в биосфере все или почти все структурировано и детерминировано, свободы (в нашем понимании – как свободы выбора, как реализации полета воображения и фантазии, как идеала нашей мечты) просто нет. Это новое видение биосферы, новое видение устройства мира, который нас окружает и из которого мы возникли (или в который мы погружены) как живые существа с определенным уровнем организации нервной системы и психики, как люди…
А.Г. Очень интересно! Получается – это новый детерминизм?
С.О. Да, совершенно верно. Новый детерминизм в устройстве и функционировании биосферы, новая сторона в видении детерминизма как важнейшей особенности устройства мира.
Хотя мы не нашли сладостной нашему сердцу свободы, разрешите мне – хотя, кажется, наше время уже истекло – в заключительный миг оторваться от строго научной, суровой и прозаической реальности и окончить в другой тональности, выраженной словами Максимилиана Волошина, который тоже признал, что «свободы нет», но на этом не остановился. Вот слова Волошина («Таноб», 1926):
Свободы нет, но есть освобожденье!
Наш дух – междупланетная ракета,
Которая, взрываясь из себя,
Взвивается со дна времен, как пламя.
Теория асимметрии мозга
09.12.03
(хр.00:42:55)
Участник:
Виген Артаваздович Геодакян – кандидат технических и доктор биологических наук
Виген Геодакян: До появления жизни на Земле были простые молекулы и сразу следующий уровень – ценоз: океан или атмосфера. Не было огромного количества уровней организации. С возникновением жизни появилась дискретность во времени: поколения и другие фазы, и в пространстве масса разных форм: клетки, организмы, виды и т.д. Как это могло произойти? Только одним способом – если непрерывно происходили дивергентные процессы, из одного – два: (1V2).
Рост дисперсии элементов унитарных систем (УС) неизбежно превращает их в бинарно-сопряженные дифференциации (БСД). Следовательно, в живой природе должно быть очень много двойных систем, которые не «забыли» еще свое происхождение от унитарной. Оказывается, действительно их очень много и они помнят о своем происхождении. В биологии: ДНК-белки, ядро-цитоплазма, генотип-фенотип, два пола, два полушария, правши-левши и т.д. Бинарных систем много среди физико-химических: обобщенные заряды и потенциалы; социальных: государство-правительство, больница-поликлиника, в спорте защита-нападение, в суде защита-обвинение; в технике: киль-руль корабля, стабилизаторы-рули ракеты и т.д. и т.п. Они всегда состоят из консервативных (первые в приведенных парах) и оперативных подсистем (КП, ОП), с дисперсией фенотипов ОП > КП. Это создает бимодальную популяцию с последовательным получением информации от среды (Е): ЕОПКП и поочерёдной, асинхронной эволюцией подсистем: сперва ОП, потом КП. При этом отбору «платит» только ОП, а более ценная КП эволюционирует «бесплатно», т.е. асинхронная эволюция экономнее синхронной. В этом эволюционный смысл всех БСД.
В схеме адаптогенеза Дарвина дело обстоит так: наступает ледниковый период, у животных становится гуще шерсть и толще подкожный жир. Значит, среда играет роль некоего экологического потенциала, заставляющего эволюционировать живые системы. Поэтому, если сравнить его с электрическим, то аналогом системы будет лампочка. Простейшая схема – батарея и одна лампочка. Это аналог унитарной системы бесполой, симметричной и т.д. С появлением второй лампочки возникает два варианта соединения: параллельное или последовательное. Первое ничего нового не дает, а второе – создает принципиально новую структуру. Оказывается все БСД – структурные аналоги последовательного включения лампочек, тогда как УС – параллельного или одной лампочки.
Два века назад, пока мы не знали законов электричества, не понимали, чем отличается последовательное включение от параллельного, не могли пользоваться электрическим утюгом или наряжать елку. Сегодня мы в таком же положении находимся в биологии. Все биологические теории, в том числе и главные парадигмы 20 века: классическая генетика и дарвинизм, по умолчанию – теории унитарных систем. Они не могут объяснить бинарные системы, так же как в плоскости не решается объемная задача. Биология должна перейти от мономодальных популяций, с непосредственным контактом со средой и синхронной эволюцией, к бимодальным, к популяциям с опосредованным контактом и асинхронной эволюцией, т.е. от «синхронных» теорий к «асинхронным». Только такие теории смогут объяснить бинарные системы, которые, как эволюционно более прогрессивные, для нас интереснее, чем более примитивные унитарные.
Приведу один пример. 20 лет назад две группы английских ученых сделали интересное открытие. Они скрещивали самца и самку мышей, потом кесаревым сечением извлекали оплодотворенные яйцеклетки до слияния мужского и женского пронуклеусов в общее ядро зиготы. Одну клетку не трогали – она служила контролем. Из второй извлекали отцовской пронуклеус и заменяли её материнским из третьей, и наоборот. Таким образом получили возможность сравнить три типа скрещивания: самка-самец, самка-самка и самец-самец. Изготовленные таким образом яйцеклетки имплантировали приемным матерям. Мышата от отца и матери рождались через 21 день, а от «однополых» родителей – гибли, не доживая до рождения. Тогда, на десятые сутки беременности делали кесарево сечение и смотрели, в чем дело, почему они гибнут, чего им не хватает. Оказалось, там, где скрещивают двух самок между собой, почти нормальный эмбрион, но ненормально маленькая плацента. Там, где двух самцов, – все наоборот. Ненормально маленький эмбрион и огромная, больше чем в норме, плацента. Как это может быть, что это значит? Это значит, что развитие сугубо женского органа – плаценты определяют мужские гены, а «общего» эмбриона – женские.
Ни одна теория не может объяснить этот парадокс. И 20 лет он остается загадкой. На самом деле очень просто. Плацента – это эволюционно новый орган, поэтому её гены находятся еще в мужском геноме, еще не дошли до женского генома, или же дошли, но еще закрыты. А эмбрион – это древняя информация, которую мы получаем от своих матерей, т.е. новые признаки женщин определяют мужские гены, а старые признаки мужчин – женские. Я еще вернусь к этому. Об этом, об эволюционной теории полов, я рассказывал в первом своем выступлении на этой программе, о теории дифференциации хромосом и «номадических генов» – во-втором. Сегодня, на основе той же идеологии и того же подхода расскажу о новых изоморфных теориях БСД: асимметрии организмов, мозга и тела. Все теории БСД изорморфны. В их основе лежит одна и та же идея дихронной эволюции подсистем.
Как говорил Козьма Прутков: «зри в корень и бди» (добавлю, «и мимо не проходи!»). Перейду к корням. В 80-е годы, заинтересовавшись асимметрией, я узнал, что существует классификация форм симметрии организмов – классика нашей биологии Беклемишева. Он сопоставил организмы разных типов симметрии с их эволюционной прогрессивностью и расположил их в следующий ряд. В начале ряда он поместил амёбу, как более примитивное существо, чем одноклеточные шаровой симметрии, которым он дал второе место. Третье место заняли организмы радиальной симметрии – морские звезды, медузы, а на четвертое место попали билатерально симметричные организмы – рыбы, насекомые, позвоночные, т.е. все прогрессивные виды, среди них и человек.
Такая классификация показалась мне неверной, и в 93-м году я предложил другую. Амёба в этом ряду неуместна, потому что она, хоть и проще одноклеточных шаровой симметрии, но она бесформенна, и ей не место в классификации форм. Значит, амёбу надо убрать. Но так как наш трехмерный мир, в принципе, допускает четыре типа симметрии (по каждой оси или симметрия, или асимметрия: ссс, асс, аас, ааа), то Беклемишев число типов угадал правильно, но тип ааа поместил не там, где надо, и честь представить этот тип отдал не тем, кому надо. Я предложил типом ааа считать не амёбу, а человека. Что значит ааа? Это значит, что у организма имеются три асимметрии: разные спина-брюхо, нос-хвост и левое-правое. У амёбы их нет! Но, заменив амёбу на человека, естественно, его надо поместить не в начале ряда, а в конце.
Тогда соблюдается эволюционная логика: постепенный переход от абсолютной симметрии до полной асимметрии, по числу асимметричных осей: 0–1–2–3, а было: 3–0–1–2, т.е. устраняется алогичный «революционный» скачок на эволюционном пути от ссс к ааа. До этого «венцом» эволюции по асимметрии считали билатерально-симметричные организмы: от примитивного ланцетника до рыб, и в этой компании – человек. По новой же концепции, этот тип не последний, он кончается латерально-симметричным опоссумом, а все высшие формы млекопитающих – китообразные, приматы во главе с человеком – выделяются в новый тип ааа – триаксиально асимметричных организмов, того же эволюционного ранга. Согласно эволюционной теории пола, был предсказан более асимметричный мозг у мужчин и более симметричный у женщин, что говорило бы о том, что асимметризация продолжается. Работы McGlon, Witelson, Kimura, Waber подтвердили это. Я специально ссылался только на авторов-женщин, чтобы их не заподозрили в антифеминизме. Согласно закону рекапитляции, в эмбриогенезе прослеживаются те же 4 типа: шаровая зигота, радиальная бластула, билатерально-симметричный эмбрион и триаксиально асимметричный новорожденный ребенок. В том же порядке асимметризируется и мозг человека.
Абсолютно то же самое происходило и с органами растений. Например, билатерально-симметричные цветки дельфиниума и львиного зева эволюционно более прогрессивны, чем радиально симметричные цветки розы и лютика, но менее прогрессивны, чем полностью асимметричные цветки канны и валеряны. Лист прошел те же стадии от шаровой хлореллы, радиальной хвои, билатерально симметричного магнолиевого до триаксиально асимметричного бегониевого листа. В будущем наше лицо будет как лист бегонии. Левая половина лица маленькая, правая половина – большая у взрослых людей и наоборот – у эмбрионов. Между прочим, уже сейчас это заметно, если обратить внимание. Значит, мы со временем станем совсем некрасивы. Одно утешение, что эволюция «скособочит» в первую очередь мужчин, а женщины еще долго будут красивые. Но так как эволюционируют не только формы, но и вкусы, то у женщин непременно появится мода на прогрессивных «косоликих» мужчин. Женщинам всегда нравится половой диморфизм, как продвинутый признак – например, высокий рост. Как говорил О. Бендер «девушки любят длинноногих». Если бы существовал мельчающий этнос, то их девушки были бы равнодушны к более рослым мужчинам и обожали бы коротышек.