Великі відкриття в біології

1831 рік. Роберт Броун, натураліст з Англії вивчав зразки рослин, здобутих ним під час поїздки в Австралію. Броун вмів звертати увагу на деталі, найбільше його цікавили клітини рослин. Вивчаючи їх під мікроскопом, він помітив дещо цікаве: у кожної клітини була схожа структура – кругова, непрозора. Він назвав це ядром.

Коли про роботу Броуна дізнався німецький фізіолог Теодор Шванн, то почав шукати схожу структуру клітин в пуголовках і знайшов її: у кожної клітини пуголовка було ядро. Відкриття було революційним. У них з’явилося підтвердження, що все живе взаємопов’язане. У своїй книзі Шванн описує різні типи клітин різних організмів і визначає їх за наявністю ядра в клітині.

Розуміння того, що є загальне в структурі всіх організмів, не тільки в рослинах, а й в тварин організмах, об’єднало тваринний і рослинний світи.

археї

Понад сто років після відкриття ядра клітини вважалося, що на Землі існує два типи форм життя: бактерії та все інше. Бактерії вважалися прокариотами – найпростішими одноклітинними організмами, ДНК яких знаходиться не в ядрі клітини, а на її стінках. Всі інші форми життя вважалися еукаріотамі, ДНК клітин знаходиться в самому ядрі.

Але така проста класифікація була помилковою. У 1977 році біолог Карл Воуз (Carl Woese) вивчав бактерії, що виділяють метан, і виявив, що вони відрізнялися від інших бактерій. Стінка клітини була унікальною, вона створювала незвичайні ензими. До того ж, таку генетичну послідовність він раніше не зустрічав.

Настав момент відкриття. Карл Воуз виявив третю форму життя – група одноклітинних організмів, яких він назвав археї. Це був великий прорив, тому що вся мікробіологія спочатку будувалася на тому, що всі бактерії однакові в своїй суті, в своєму походженні і структурі клітин. У цей свято вірив кожен мікробіолог, і це виявилося неправдою.

Карл виявив форму життя, здатну вижити в будь-якій точці планети, включаючи саму агресивне середовище. Деякі археї живуть на гідротермальних викидах на дні океану, температура тут змінюється кожен сантиметр – від негативної до спопеляючих 400 ° С. Археї виявлені в землі на глибині декількох кілометрів, які виживають в кислотних озерах, де плавляться навіть мінерали і залізо.

Зараз деякі біологи вважають, що архею – прабатько сучасних еукаріотів, включаючи людей.

Спочатку про це написали в «Нью-Йорк Тайм», потім новина підхопили інші газети, потім розповіли на телебаченні. Одного разу Карл вийшов з дому і сказав собі: «сьогодні світ належить мені!».

мітоз

У порівнянні з століттям людства ці відкриття відбулися недавно: клітини, ядра клітини у тварин і рослин. Через 30 років або близько того ми навчилися бачити поділ клітин.

Поділ клітини – процес, який клітина тварини або рослини проходить для того, щоб продублювати себе. І хоча вченим було вже відомо про процес поділу клітини, першим пояснив і опублікував це німецький зоолог Уолтер Флемінг.

Його книга вийшла у світ в 1881 році, вона зіграла величезну роль в історії клітинної біології, тому що Флемінг зміг описати клітинний розподіл в тому вигляді, в якому воно було прийнятно для сучасного журналу.

Флемінг детально вивчив процес ділення клітин. Він скористався новітнім потужним мікроскопом і технікою фарбування. З такими нововведеннями він зумів визначити структури, які назвали хромосомами, а пізніше були визнані його відкриттям.

Під час клітинного поділу хромосоми проходять через динамічну зміну, вони діляться на дві однакові частини – по одній на кожну нову клітку. Флемінг назвав цей процес митозом.

Розподіл хромосом під час мітозу було грандіозним відкриттям. Вчені, нарешті, стали розуміти, як одна клітина може перетворитися в дуже складний організм, що складається з безлічі взаємодіючих клітин.

мейоз

Приблизно в той час, коли Уолтер Флемінг вивчав клітинний розподіл, вченим вже було відомо, що запліднення відбувається за рахунок об’єднання різностатевих клітин – сперматозоїда і яйцеклітини. Чого вони не знали – так це чому тільки ці дві клітини могли створювати нове життя? Що відрізняло їх?

Перший чітку відповідь зміг дати бельгійський зоолог Едвард ван Бенеден в 1883 році. Під час вивчення кільчастих хробаків він виявив по 4 хромосоми майже у всіх клітинах особин. Винятком були клітини, що відповідають за запліднення – чоловічий сперматозоїд і жіноча яйцеклітина, в цих клітинах було всього 2 хромосоми. Він зауважив, що коли ці дві клітини з’єднуються разом, виходить повноцінна клітина з 4 хромосомами. Але чому в цих клітинах спочатку було вдвічі менше хромосом, все ще залишалося таємницею.

Після багаторічних спостережень за хромосомами Вейсман виявив, що в певний момент розвивається організм дає команду клітинам, які відповідають за розмноження, розділити хромосоми навпіл. Цей процес ділення клітин Вейсман назвав мейоз.

Це був «золотий вік» біології: за 200 років з 19 по 21 століття люди зрозуміли, що відрізняє камінь від жаби. Можна сказати, що люди знайшли відповідь на старий філософське питання: що таке життя? Може бути він не повністю задоволений, але це не надовго.

видозміна клітин

В кінці 19 століття біологи знали, що під час формування ембріона клітини більшості організмів починали видозмінюватися, вони отримували особливі інструкції по формуванню дорослого організму. Руки, ноги, очі … Але коли відбувалося видозміна?

Відповідь спробував знайти німецький біолог Ханс Дріш. Він вивчав морських їжаків і виявив, що на початковому етапі розвитку ембріона їх клітини ще не видозмінювалися, вони все могли стати будь-яким типом клітини. Сьогодні клітини, здатні видозмінюватися в будь-який тип клітин, вчені називають стовбуровими клітинами.

Отже, клітина запліднюється і починає ділитися, але не відразу починає утворювати, скажімо, клітку легкого або клітку нігтя. У цей момент клітини дуже гнучкі, вони мають можливість перетворитися в будь-яку клітину будь-якій частині тіла. І раптом щось відбувається! Ми не знаємо що це, але з цього моменту клітини формують різні тканини – ось звідки у нас беруться серце, печінка і селезінка.

Виникає питання: наскільки звернемо цей процес? Наскільки безповоротно ці клітини видозмінилися? Якщо клітина стала печінкою – дороги назад немає, проте, вчені змогли показати, що це не так. Якщо порушити внутрішнє середовище клітини, можна активувати раніше не використовувалися гени, це демонструє певну гнучкість, таку ж, що спочатку мають стовбурові клітини. Поетом якщо навчитися користуватися цим знанням, можна було б лікувати людей від багатьох хвороб.

Це можна було б використовувати в регенеративної медицини. Було виявлено, що в клітинах є великий потенціал. Наприклад, клітина крові може бути не просто кліткою крові, вони зможе добиратися до ураженої ділянки, відновлювати тканини м’язів, мозку і печінки – вчені домоглися цього в декількох експериментах.

Експеримент з генетично модифікованими мишами. У всіх клітинах миші – флуоресцентний протеїн. У мишей були введені гени медузи, і тепер їх тканини світяться в темряві, особливо це помітно на вухах, в очах і на хвості – ці тканини зелені. Це дозволило ввести світяться тканини в іншу мишу, щоб побачити, у що вони сформуються. Так відстежується розвиток стовбурових клітин.

цикл Кребса

У 30-х роках минулого століття німецький біолог Ханс Кребс, син єврейського доктора, втік з нацистської Німеччини. До 1937 року він займався дослідженнями в Кембріджському університеті і хотів відкрити таємницю одного важливого біологічного процесу: як клітини в нашому тілі перетворюють їжу в енергію.

Щоб вивчити цей процес, Кребс подрібнив зразок тваринної тканини. Потім він зробив рідина з цих клітин, пропустив вміст через ряд хімічних реакцій і заміряв результати. Тут він помітив послідовність, яка пізніше призвела до знаменної відкриття.

У своїх дослідженнях Кребс зауважив, що молекули цукру з перевареної їжі проходять через цикл різних хімічних реакцій всередині самої клітини. Цей процес призводить до утворення багатою енергією молекули. Ця молекула постачає нас енергією, яка бере участь в подальшій життєдіяльності. Цей процес став називатися цикл Кребса.

Це було велике відкриття для біохімії. Цикл Кребса відкрив дорогу до розуміння того, як працюють клітини всередині людського організму.

мітохондрія

В середині 19 століття за допомогою потужних мікроскопів вчені виявили щось, раніше невідоме – таємничу структуру, що мешкає всередині майже всіх типів клітин: у неї було дві мембрани і здатність змінювати форму.

Протягом наступного століття різні біологи намагалися відкрити секрет цього дива біології. Ці структури називали мітохондріями.

Одного з перших учених, пов’язаних з відкриттям мітохондрій, звали Бріттон Ченс (Britton Chance). Його вкладу було створення двулучевой спектра фотометра – інструменту, за допомогою якого вченим було легше зрозуміти, як функціонують мітохондрії. Сьогодні він працює професором біофізики в університеті Пенсільванії.

Він винайшов інструмент, здатний дивитися крізь ці структури. У них були мембрани, стінки клітин і різні світяться елементи навколо. Коли розглядали їх на світлі, то бачили лише пух. Тоді Ченс зробив інструмент, який позбавив його від пуху, і наткнувся на два компонента, які пов’язують митохондрию з циклом Кребса. Так вчені зрозуміли зв’язок між діями ензимів і ланцюгом енергії, тоді все злилося в єдине ціле.

За допомогою винаходу Ченс вчені зрозуміли, що мітохондрія забезпечує енергією, яка змушує клітину працювати, а все тіло – функціонувати. Мітохондрії дуже ефективно використовують склад їжі, яку збирає клітина – це називається феномен дихального контролю. Якщо говорити простою мовою, це означає, що можна тренуватися до нестями і потім трохи відпочити, тобто не потрібно приймати таблетку або робити укол – тіло саме відновиться, його мітохондрії самі перенаправляють недолік енергії, після цього воно просто засне. Тому в наші дні, коли популярні Олімпійські ігри, і спортсмени прагнуть до кращих результатів, це грає важливу роль.

У 1952 році Бріттон Ченс виграв золоту медаль в складі американської команди з веслування.

Відкриття компонентів мітохондрії, вивчення її в природному середовищі – як вона працює, наскільки важливий дихальний контроль і як він працює – все це стримує Ченс від того, щоб піти і погуляти на вулиці. Він приділяє більше уваги роботі над мозком і раком, тому що мітохондрії мають відношення і до них теж.

нейротрансмісію

В кінці 19 століття однією з найбільш хвилюючих вчених загадок була як нервові клітини створюють нервову систему і повідомляються один з одним. Вони знали, що кожна нервова клітина – нейрон – передає електричні імпульси. Багато хто вважав, що зв’язок, що дозволяє одному нейрону перескакувати до іншого – теж електрична. Поки не було зроблено відкриття …

На початку 20 століття британський біолог Генрі Дейл проводив серію експериментів, вивчаючи психологію нервових імпульсів. В одному з них він ввів адреналін в серці кішки, розраховуючи підвищити серцебиття. Але нічого не сталося.

Тут він зрозумів свою помилку: він уже вводив інші ліки цієї кішці, воно знижувало серцебиття. Дейл зрозумів, що напав на якийсь слід. Раз ліки можуть переривати нервові імпульси, значить, зв’язок між нейронами повинна бути хімічної, а не електричної, як думали раніше.

Дейл звернувся за порадою до свого колеги Отто Леві. Щоб перевірити гіпотезу Дейла, Леві провів експеримент на двох жабах. Він опустив першу жабу в сольовий розчин. Електричним імпульсом він стимулював нерв, що відповідає за серцебиття. Швидкість серцебиття знизилася. Тоді Леві перелив трохи сольового розчину на серце другий жаби, і сталося неймовірне: без всякого електричного стимулювання серце другий жаби теж сповільнилося. Це був момент відкриття.

Леві зрозумів, що перше серце виділив хімікат, який змусив м’язи серця уповільнити скорочення. Це довело, що передача імпульсів від нервових клітин до серця була хімічної. Леві відкрив перший нервовий хімікат, який зараз називається нейротрансмиттер.

Сьогодні ми вже знаємо, що в людському тілі багато нейротрансмітерів, вчені використовують це знання для вивчення роботи мозку і хімічних повідомлень, які він відправляє. Наприклад, низький рівень серотоніну пов’язаний з депресією, алкоголізмом і нервовими розладами.

Але наступне відкриття показало, що нервова система – не єдиний метод комунікацій в тілі людини.

гормони

У 1903 році два англійських фізіолога Вільям Бейліс і Ернест Старлінг вивчали процес травлення. У своїх експериментах вони виявили, що тіло виробляє шлунковий сік, який допомагає подрібнювати їжу, коли вона пересувається зі шлунка в кишку. Але що змушувало цей сік витікати?

Щоб це дізнатися, Бейліс і Старлінг провели експеримент. Вони взяли зразок крові у собаки, яка тільки що поїла. Ввели кров іншої собаці, яка ще не їла, і сталося диво: у другій собаки не було їжі в шлунку, але виділення шлункового соку з підшлункової залози почалося! Як це відбулося?

Через пару тестів вчені знайшли відповідь на своє питання: після того, як їжа потрапляє в шлунок, він виробляє хімічну субстанцію, яка по кровоносних судинах відправляється в підшлункову залозу. Тут вона допомагає залозі виробляти скорочення для того, щоб переробити їжу. Бейліс і Старлінг назвали цю субстанцію секретин. Вже було ясно, що мова йде не про одну, а про цілу групу тоді ще невідомих хімічних субстанцій – вони назвали їх гормонами.

Після зробленого ними відкриття було знайдено більше 50 видів гормонів. Гормони, що виробляються гландами і тканинами, що передаються по кровоносних судинах в міру необхідності, гормони, що відповідають за ріст тіла, метаболізм, серцебиття і цукор в крові. Вони навіть допомагають жінкам готуватися до народження: естроген – один з жіночих гормонів, готує матку до народження дитини, а груди – до годівлі.

фотосинтез

У 1771 року хімік Джозеф Прістлі провів серію експериментів, спалюючи різні субстанції в закритих склянках і збираючи виділені при цьому гази.

В одному такому експерименті він залишив запалену свічку в склянці, і полум’я швидко згасло. За словами Прістлі, повітря всередині склянки був пошкоджений.

Щоб дізнатися, який ефект пошкоджений повітря матиме над живою матерією, він засунув в склянку лист м’яти на 10 днів. Коли Прістлі повернувся до цього листочку, то з подивом виявив, що той все-таки зелений, і повітря всередині склянки був знову свіжим. Прістлі припустив, що вся справа в листі м’яти. Але як?

Це питання так і залишилося без відповіді, поки голландський вчений Ян Інгенхауз не повторив експеримент Прістлі. Використовуючи листя рослин, він спостерігав той же ефект.

Але після декількох експериментів він почала розуміти, що відбувається: лист рослини міг очищати повітря тільки в разі, коли лежав під сонячними променями. Це був прорив! Прістлі і Інгенхауз відкрили світу фотосинтез – біохімічний процес, за допомогою якого рослини переробляли сонячне світло в хімічну енергію.

Фотосинтез прибирає вуглекислий газ з атмосфери і створює кисень – газ, від якого залежить життя людей. Цей газ Джозеф Прістлі відкриє три роки по тому.

тропічне різноманітність

Це відкриття не має свого відкривача. Багато хто намагався пояснити цю ідею протягом декількох століть. Це відкриття тропічного різноманітності, і сьогодні це основа нашого розуміння біологічного світу і нашої залежності від нього.

Термін «тропічне різноманітність» відноситься до різноманітності живих істот і їх взаємодії з навколишнім середовищем. Тропічні ліси – найбагатші за своєю різноманітністю.

У 15 столітті італійський першовідкривач Амеріго Веспуччі побував в тропіках і написав в своєму журналі: «що я можу сказати про різноманіття диких тварин? Так багато видів просто не могло поміститися в Ноїв ковчег! ».

Сьогодні ми продовжуємо захоплюватися розмаїттям тропіків. Імовірно, 50% видів тваринного світу населяють тропічні ліси, що займають близько 2% від загальної площі планети.

В лісах Амазонки в Бразилії – понад 500 видів дерев ростуть на площі в 4 км2. Порівняйте це з загальною площею США і Канади, в яких в цілому близько 700 видів дерев.

Але чому відкриття тропічного різноманітності вважається важливим? Потім що це не тільки дозволило вченим зрозуміти природу і системи, які тут працюють, а й дозволило добувати надзвичайно корисні в сучасному житті ресурси: починаючи від виробництва їжі і індустріальних товарів до створення нових ліків. Наприклад, багато хто з ліків для роботи з раком робляться з тропічних рослин.

Але ця користь дається дорогою ціною. Вчених турбує втрата тропічного різноманітності високими темпами: мільйони гектарів землі спустошені, незліченна кількість тварин зникло. Підраховано, що з такими темпами вирубки все тропічні ліси зникнуть до 2030 року. Все це впливає на навколишнє середовище.

екосистеми

Пилові бурі 30-х років. Після багатьох років посухи американський Середній Захід перетворився на пустелю. У посушливу погоду фермери продовжували орати і засаджувати землю, сподіваючись, що поживні речовини в землі з’являться знову. Але їх спроби тільки погіршили становище: верхній шар грунту перетворилося на пил, а вітер її роздував.

Для британського еколога Артура Тенсли пустельні бурі були доказом того, що вчені і прості обивателі занадто вузько дивилися на світ. Вони не розуміли динаміку навколишнього середовища як єдиного цілого, перспективу, яка пояснює причину і наслідок подібних подій. Він пропагував нове поняття під назвою екосистема, яке об’єднує ідеї з різних областей науки.

Чому це було революційною зміною мислення? У той час екологічна робота була сильно пов’язана з описом природи. Говорячи про систему, ми йдемо далі, експериментуємо, шукаємо постійну структуру різних місцевостей і різних видів. І тоді можна говорити про те, як можна їх перевірити. Це ставить екологію на один рівень з фізикою, хімією, молекулярною біологією. Артур Тенсли використовував слово «система» і застосував його до екологічного навчання. Він намагався висловити ідею того, що екологія – це частина ієрархії фізичних систем.

Використовуючи такий підхід, можна зрозуміти, як відновлювати екосистеми, маніпулюючи видами рослин або навколишнім середовищем, і як зробити це найменш витратним. Таким чином можна відродити Природу так, щоб вона відповідала потребам людини і могла існувати сама по собі під Сонцем.

Посилання на основну публікацію