| |
Выражение «экспоненциальный рост» вошло в наш лексикон для обозначения быстрого, как правило безудержного увеличения. Оно часто используется, например, при описании стремительного роста числа городов или увеличения численности населения. Однако в математике этот термин имеет точный смысл и обозначает определенный вид роста.
ДНК имеет долгую и интересную историю. После того как в 1869 году ее впервые выделил Иоганн Мишер (Johann Miescher, 1844–95), она несколько десятилетий терпеливо ожидала своего часа в относительной безвестности. В 1914 году немецкий химик обнаружил, что ДНК окрашивается красной краской, но счел это открытие настолько незначительным, что не публиковал его в течение 10 лет. Однако позднее это окрашивание были использовано для того, чтобы установить факт присутствия ДНК во всех клетках и ее характерную локализацию в хромосомах. В 1920-е годы американский биохимик российского происхождения Фибус Левин (Phoebus Levene, 1869–1940), проводивший анализ ДНК, определил основные «кирпичики», из которых строится ДНК. Это фосфатная группа, сахар и молекулы четырех типов — азотистые основания. Он пришел к правильному выводу о том, что молекула ДНК построена из структурных единиц (так называемых нуклеотидов), собранных из комбинаций этих трех компонентов.
Цвет жизни на нашей планете — зеленый, потому что зеленые молекулы хлорофилла в растениях, которые составляют основу любой жизни и превращают энергию падающего солнечного света в материалы, из которых построены живые существа. Можно только удивляться тому, что в прошлые века люди почти не интересовались механизмом превращения этой энергии — процессом, который мы теперь называем фотосинтезом. Так уж сложилось, что закономерности движения планет и звезд стали понятны людям задолго до того, как у них появились малейшие представления о роли травы у них под ногами.
Экосистему можно вывести из состояния равновесия многими способами. Обычно это бывает пожар, наводнение или засуха. После такого нарушения равновесия новая экосистема сама себя восстанавливает, и этот процесс носит регулярный характер и повторяется в самых разных ситуациях. Что же происходит в нарушенной экосистеме? На месте нарушения определенные виды и вся экосистема развиваются таким образом, что порядок появления этих видов одинаков для схожих нарушений и схожих ареалах. В этой последовательной смене одних видов другими и заключается суть экологической сукцессии.
Открытие химической основы жизни было одним из величайших открытий биологии XIX века, получившим в XX веке немало подтверждений. В природе нет никакой жизненной силы (см. Витализм), как нет и существенного различия между материалом, из которого построены живые и неживые системы. Живой организм больше всего похож на крупный химический завод, в котором осуществляется множество химических реакций. На погрузочных платформах поступает сырье и транспортируются готовые продукты. Где-то в канцелярии — возможно, в виде компьютерных программ — хранятся инструкции по управлению всем заводом. Подобным образом в ядре клетки — «руководящем центре» — хранятся инструкции, управляющие химическим бизнесом клетки (см. Клеточная теория).
Зеленые растения — биологи называют их автотрофами — основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах (см. Биологические молекулы), из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Другие живые организмы получают доступ к этой энергии, поедая растения. Так создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.
Все мы слышали пугающие истории о микробах, нечувствительных к антибиотикам. И действительно, многим в процессе лечения приходилось заменять один антибиотик на другой из-за того, что первый оказался неэффективным. Такое появление лекарственной устойчивости у популяции микроорганизмов — не странная месть матери-природы человечеству, а закономерное следствие теории эволюции.
Мысль о том, что животные защищают территорию, которую они используют для выведения потомства, поиска пищи или спаривания, была впервые высказана малоизвестным английским птицеводом по имени Генри Элиот Говард (Henry Eliot Howard). Изучив множество различных видов птиц, он заметил, что самцы некоторых видов, обосновавшись в каком-то месте, изгоняли с этих участков других самцов этого вида, когда они туда забредали. Он также заметил, что эти участки привлекали самок этого вида и что там происходило спаривание и гнездование. Со времени этого открытия явление территориальности было отмечено у многих видов. Пара, закрепившая за собой территорию (Говард ввел этот термин в словарь поведения животных в 1920-е годы), имеет больше шансов найти себе достаточное количество пищи и может спокойно делать все необходимое для выведения потомства.
Прежде чем приступить к обсуждению эволюции, едва ли не самого важного понятия в науках о жизни, мне хотелось бы напомнить вам одну мысль, высказанную во Введении. Слово «теория» в научном понимании не обязательно подразумевает отсутствие уверенности в рассматриваемых представлениях. Вопреки обычаям и исторически сложившемуся значению этого слова, многие теории (включая теорию относительности) на самом деле относятся к наиболее широко признанным составляющим научного мировоззрения.
Растения очень нуждаются в воде. В отличие от животных, сохраняющих большую часть проглоченной воды, растения испаряют через листья почти 90% влаги, поступившей через корни. Этот процесс называется транспирацией и происходит вследствие того, что устьица листьев большую часть времени остаются открытыми, чтобы углекислый газ из атмосферы мог проникать в растение и принимать участие в фотосинтезе. Из-за такой огромной потребности в воде британский эколог Джон Харпер (John Harper) назвал растение «фитилем, который соединяет хранилище почвенных вод с атмосферой». Через корни вода поступает в растения из почвы под влиянием осмотического давления, но как вода может подниматься к самым вершинам высоких деревьев — это долгое время оставалось неясным. Теория сцепления-натяжения призвана ответить на этот вопрос.
В природе существует немало изолированных экосистем, дающих уникальную возможность для наблюдения за появлением и исчезновением видов. Большинство таких экосистем — это острова, окруженные водой, но существуют также и другие виды «островов». Например, высокие плоскогорья или плато, окруженные пустыней или тропическими дождевыми лесами, напоминающие острова в небе, во всех отношениях так же изолированы, как и далекий атолл в Тихом океане.
Иногда чистая математика переплетается с явлениями реального мира довольно неожиданным образом. Теория оптимального фуражирования, которую разработали Роберт Макартур (см. Теория равновесия Макартура—Уилсона) и Эрик Пианка в 1966 году, — типичный тому пример. Многие животные на самом деле могут употреблять в пищу гораздо больше разнообразных видов добычи, чем они реально употребляют. Тогда каковы принципы, которыми руководствуются животные при выборе добычи? С такого рода проблемами имеет дело раздел математики под названием теория игр.
Многое в поведении животных можно описать с помощью математических методов (см., например, Теория оптимального фуражирования). Один из таких аспектов поведения можно выразить простым вопросом: как долго животному имеет смысл добывать корм на одном участке и когда ему уже пора перейти в другое место? Какая стратегия позволяет максимально увеличить его общее энергопотребление?
Поведение практически всего живого, от водоросли до человека, привязано к временным циклам, которые обычно соотносятся с продолжительностью дня. Например, листья многих растений раскрываются на рассвете и складываются на закате, и любому, кто совершал дальний авиаперелет, известно о феномене «смещения времени», когда человек плохо себя чувствует, резко оказавшись в другом часовом поясе. В середине XX века ученые спорили, является ли такое поведение реакцией на внешние раздражители или формируется под влиянием внутреннего механизма. Сегодня мы знаем, что оно обусловлено внутренними механизмами, получившими название «биологических часов».
|
|
|
