Познакомившись с понятием «популяция», мы можем приступить к обсуждению еще одного вопроса, волнующего современную биологию.
Речь пойдет об уровнях организации живой материи. Один из этих уровней мы очень хорошо знаем — это организм, индивид, особь. Все мы индивиды, особи. В старой русской литературе это слово употреблялось редко, чаще говорили — «неделимое». В самом деле, организм — неделим, он единое целое. Жизнь сердца имеет смысл лишь постольку, поскольку оно верно служит организму. Но болезнь сердца грозит гибелью организму. К сожалению, современный человек это слишком хорошо знает.
Значит, существуют еще какие-то уровни организации ниже индивида. Важнейший из них — уровень клетки. Клетка служит предметом интенсивных и непрекращающихся исследований уже с середины прошлого столетия, когда ботаник Матиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн создали клеточное учение.
Теперь мы знаем, что все организмы — от губки до человека — построены из клеток. Простейшие организмы — бактерии, простейшие животные — это одноклеточные организмы. Эти организмы располагают всей полнотой свойств жизни: используют энергию пищи для роста, развития, движения, размножения. Они обладают раздражимостью — предвестником нервной деятельности. Им в полной мере присущи явления наследственности. Это организмы в полном смысле слова. С их основными свойствами мы знакомы. Ведь именно с изучения эвглены или ицфузории-туфельки начинается зоология в школе. Итак, одноклеточные организмы обладают всеми существенными, свойствами «неделимого», индивида. Эти свойства в потенции заложены и в клетках высших организмов, что неоспоримо доказывается многочисленными опытами при разведении клеток многоклеточных организмов в культуре. Но в пределах организма клетка теряет свою самостоятельность и делает лишь то, что требует от нее организм.
Возникающая в результате слияния мужской и женской половых клеток зародышевая клетка — зигота — делится и последовательно дает 2, 4, 8, 16, 32… наконец, миллиарды дочерних клеток. Все они специализированы. Одни вырабатывают оссеин, оссеомукоид и другие структурные белки, за счет которых организм строит свой скелет, другие превращаются в специализированные клетки мозга — нейроны, третьи становятся эритроцитами, клетками печени, почек, эндокринных желез, глаз.
Но ведь все эти специализированные клетки — потомки одной-единственной клетки — прародительницы, в их ядре записана совершенно одинаковая наследственная информация. Так утверждала теория, а недавно это было подтверждено поистине историческим экспериментом. В одной из английских зоологических лабораторий из клеток эпителия кишечника головастика лягушки было извлечено ядро и пересажено в яйцеклетку, собственное ядро которой было предварительно удалено. И вот ядро эпителиальной клетки, которой, казалось бы, всю жизнь суждено «строить» лишь плоские клетки эпителия, выстилающего кишечник, дало жизнь новому лягушонку.
Значит, специализированная клетка хранит память о всех своих возможностях и в эксперименте оказывается способной восстановить целый организм. Значит, все клетки организма обладают равными возможностями, но реализуются эти возможности в соответствии с теми задачами, которые ставит перед ними организм. Все мы хорошо знаем, что происходит, когда клетки выходят из подчинения организму — они безудержно размножаются, дают массу неспециализированных эмбрионоподобных клеток, возникает злокачественная опухоль, остановить рост которой современная наука пока не может.
В этой книге мы не будем обсуждать конкретные механизмы организменной регуляции клеточного развития. О них пока известно весьма мало. Отметим лишь, что одной из важнейших проблем современной науки является проблема деятельности целостного организма.
Действительно, взаимодействие целого и его частей мы знаем плохо. Но одно уже сейчас известно точно. Целое (т. е. организм) подчиняет себе развитие составляющих его клеток, несмотря на то, что эти составляющие сохраняют всю полноту жизненных свойств. Поэтому мы вправе утверждать, что организм — это более высокий уровень организации живой материи по сравнению с клеткой.
Однако клетка, в свою очередь, состоит из структур еще более элементарных. Электронный микроскоп помогает нам установить, что даже протоплазма клетки, которая еще несколько десятилетий тому назад казалась весьма простой по структуре, в действительности — сложнейшее образование. Многочисленные мембраны и микроканальцы, своеобразный аппарат Гольджи, рибосомы, митохондрии и многие другие внутриклеточные структуры являются, по существу, молекулярными ансамблями и построены по строго выдержанному плану. Эти внутриклеточные структуры обеспечивают согласование бесчисленного количества химических реакций, необходимых для поддержания жизни клетки, а также процессов распада и синтеза биологически активных веществ и веществ, используемых клеткой в качестве необходимых энергетических ресурсов. Они осуществляют передачу свойств материнской клетки ее потомкам (в этом, как мы убедились, важнейшую роль играет взаимодействие ядра и протоплазмы) и многие другие процессы.
Интересны наблюдения академика Г. М. Франка, проведенные им на одноклеточной водоросли. Оказывается, это существо обладает всего лишь одним хлоропластом, состоящим из многослойных мембран, две трети которых заняты процессами фотосинтеза, а остальные представляют собой как бы примитивный глаз, или фоторецептивную систему. Как только водоросль получит достаточное количество продуктов питания, ее «глаз» дает автоматическую команду жгутику, и вся клетка скрывается в более глубоких, более темных слоях воды, спасаясь от избыточного переполнения продуктами фотосинтеза. Израсходовав эти продукты, «глаз» снова пилотирует одноклеточную водоросль в сторону света.
Это сложное и своеобразно устроенное приспособление одноклеточного существа является в то же время удивительным автоматическим устройством, соединяющим в единой многомембранной конструкции и химическую (фотосинтетическую) деятельность, и светоразличения, и направления движений.
Итак, мы убедились, что клетка — это сложнейшее образование. Чтобы разобраться в ее работе, необходимо знать, как действуют внутриклеточные образования, которые с известным приближением можно назвать ансамблями функционально активных «живых» молекул. Однако они остаются такими лишь постольку, поскольку являются составными частями клеток. Только оставаясь элементами единой системы — клетки, они и проявляют признаки, свойства живого.
В этом отношении между парами «организм — клетка» и «клетка — внутриклеточные структуры» имеются существенные различия.
Поэтому с полным основанием можно считать внутриклеточные молекулярные конструкции низшим уровнем организации жизни.
Знакомство с популяцией убеждает нас о том, кто организм — это еще не высший из подобных уровней. Рассмотрим уже знакомые нам уровни организации жизни с новой точки зрения.
Уже в течение ряда десятилетий учеными разных стран мира разрабатывается теория, получившая известность как общая теория систем. Эта теория играет большую роль в развитии кибернетики, а ее значение для разработки некоторых наиболее общих проблем биологии с каждым годом ощущается все большим числом специалистов. Особенно велик вклад в общую теорию систем академика П. К. Анохина и австрийского биолога Л. Берталанфи. Отметим те особенности, которые отличают систему от несистемы, от простой суммы каких-то единиц, индивидов, от агрегата индивидов. Вот важнейшие из этих особенностей:
- Свойства целого (системы) не являются суммой свойств слагающих ее индивидов и не могут быть непосредственно выведены из свойств отдельных элементов системы.
- Являясь частью системы, индивид не может полностью проявить всех потенциально присущих ему свойств. (Вспомним специализированную клетку в многоклеточном организме!)
- Чем разнороднее элементы, слагающие систему, тем выше помехоустойчивость системы в целом, тем выше ее стабильность, тем выше ее способность поддерживать стабильное состояние при изменении внешних условий. (Вспомним о разнородности популяций!)
- Всякая система, способная принимать различные состояния, стремится к стабилизации своей структуры.
Восстановим в памяти все, что было сказано о популяции. Становится ясным, что эти свойства системы к ней полностью применимы. Именно потому, что популяция — система, что ее свойства не исчерпываются свойствами слагающих ее животных, она способна выполнить свою роль в жизни вида, способна стать полномочным представителем вида, формой его существования. Вместе с тем отдельные особи выполняют в популяции вполне определенную специфическую роль.
В процессе объединения индивидов в популяции каждый из них что-то теряет, не может реализовать всех своих потенций, но в целом способность популяции противостоять неблагоприятным сочетаниям внешних условий неизмеримо возрастает.
Популяция должна рассматриваться в качестве вполне самостоятельного уровня организации жизни. Это первый надорганизменный уровень. Однако в природе мы никогда не сталкиваемся с популяциями в их чистом виде, изолированно от популяций других видов. Ни один вид животного или растения не может существовать в одиночку. Даже самое чистое пшеничное поле — это отнюдь не одновидовая популяция пшеницы, а сообщество, состоящее из многих видов растений, животных и микроорганизмов. Вместе с тем это сообщество, в котором пшеница занимает явно доминирующее, господствующее положение.
Природные сообщества живых организмов (лес, степь, болото, луг, пруд, озеро) обычно состоят из многих сотен, а иногда и тысяч разных видов, видовых популяций. Подобные сообщества также не являются бесструктурным скоплением животных, растений и микроорганизмов, они построены по определенному плану, обладают структурой. Эти сообщества и являются вторым надорганизменным уровнем организации жизни. В экономике природы они играют решающую роль. Совокупность подобных сообществ и есть то, что мы в обыденной речи называем природой.