Книга: Жизнь и ее проявления

Границы жизни

Границы жизни

Живые существа находятся в определенных условиях, или среде обитания, которая воздействует на них и в то же время сама изменяется в результате жизнедеятельности организмов. Этот сложный и грандиозный процесс в природе раскрыл и изучил советский ученый В. И. Вернадский (1863–1945 гг.). Область жизни живых организмов он назвал биосферой, которая имеет весьма обширные границы на земле и в атмосфере. Под действием живых организмов происходят круговорот химических элементов и существенные изменения в биосфере.

Взаимоотношения организмов со средой их обитания изучает наука экология. В среде обитания могут быть различные факторы: абиотические (а — отрицание не, биос — жизнь, то есть неживые) — это физикохимические условия и биотические — взаимоотношения между организмами.

Рассмотрим важнейшие абиотические условия жизни. Все биохимические и физиологические процессы в любом организме могут осуществляться только при определенных температурных условиях. У большинства организмов жизнедеятельность протоплазмы возможна в пределах от —4 до +40–45°. При более высоких температурах начинается разложение ферментов и других белковых соединений, вызывающее смерть. Однако в природе существуют исключительно устойчивые организмы. Некоторые животные и водоросли живут в горячих источниках при +90°. В горячих источниках при +81° найдены круглые черви — нематоды, личинки мух — при +69° и др.

В Анатолии (Турция) австрийский зоолог Швейгер обнаружил свободно плавающих рыб в горячих серных источниках, температура которых доходит до +41°.

Другие организмы, напротив, приспособились к очень низким температурам, к жизни в наиболее холодных районах нашей планеты. Так, в районе полюса холода северного полушария — в Верхоянске насчитывают до двухсот видов растений. Антарктический материк почти совершенно безжизнен: здесь не хватает тепла, нет почвы и сплошные массы вечного льда покрывают материк. Но на участках, обнаженных ото льда (оазисах), найдено несколько десятков видов беспозвоночных животных и низших растений. Они живут здесь, несмотря на то, что минимальные температуры достигают —80° и ниже.

Устойчивость организмов к очень высоким или низким температурам повышается при снижении воды в их протоплазме, что приводит к снижению активности обмена веществ. Длительный и глубокий покой у организмов наступает при снижении содержания воды в клетках протоплазмы. В таком состоянии организмы бывают очень устойчивы к резким изменениям температуры. Так, колорадские жуки во время диапаузы (период покоя, остановки развития у насекомых) выносят в течение часа температуру +58°.

У микроорганизмов в состоянии покоя (цисты, споры) количество воды уменьшается очень резко, протоплазма становится вязкой, она не свертывается и не погибает при температурах кипения воды, а иногда и при +130–150° (под давлением).

Долгое время думали, что многие животные, в том числе и позвоночные (рыбы, лягушки), зимой промерзают, а весной вновь оживают. Впоследствии выяснилось, что это не так: кристаллы льда в протоплазме клеток высокоорганизованного животного нарушают структуру клетки и организм погибает. Но если клетка теряет воду, устойчивость ее к холоду повышается. Без воды клетки и ткани не замерзают. Например, некоторые относительно примитивные животные (коло-воротки, тихоходки, нематоды) в высушенном состоянии способны выносить охлаждение вплоть до температур, близких к абсолютному нулю. Такой же выносливостью обладают споры и семена растений.

Глубокое снижение всех процессов жизнедеятельности у живых организмов называется анабиозом, или скрытой жизнью. Организмы в состоянии анабиоза внешне не проявляют никаких признаков жизни. При этом дыхание и другие обменные процессы настолько снижены, что их не удается уловить с помощью специальных чувствительных приборов. Переход живого организма в состояние анабиоза связан прежде всего с потерей воды. Простейшие в таком состоянии сохраняют способность возвращаться к активной жизни даже после шестилетнего периода покоя.

Феноменальными свойствами анабиоза обладают тихоходки (мелкие многоклеточные животные). Длина их тела обычно не превышает 0,5 мм. Они очень просто устроены, не имеют кровеносной системы. В 1948 году итальянка Францеччи провела следующий опыт: намочила мох, засушенный в 1828 году и сохранившийся в гербарии Ботанического института в городе Турине; и вот в этом стодвадцатилетнем мху обнаружили… ожившую тихоходку. Засушенные тихоходки способны переносить в течение нескольких минут высокие температуры (+ 110–120°). Могут просуществовать в анабиозе в течение нескольких месяцев в запаянных стеклянных трубках, наполненных чистым водородом, неоном, аргоном, азотом, сероводородом и другими ядовитыми газами. Эти насекомые, высушенные в безвоздушном пространстве, способны переносить температуры, близкие к абсолютному нулю, и другие крайне неблагоприятные условия.

Длительное состояние анабиоза способны переносить семена и споры растений. Например, плодики лотоса, хранившиеся в музее в сухом месте более ста лет, при посеве дали почти стопроцентную всхожесть.

Немногим более двадцати лет назад учеными было обнаружено весьма интересное явление. При быстром погружении живой ткани или микроорганизмов в жидкий воздух (около —190°) они мгновенно замерзают, но после оттаивания остаются живыми. Оказалось, что при очень быстром охлаждении вода не кристаллизуется и застывает, как стекло. Переход воды протоплазмы клеток в стеклообразное, а не кристаллическое твердое состояние называется витрификацией. Этот процесс удается осуществить только с микроскопически малыми биологическими объектами.

Многочисленные опыты с насекомыми и другими беспозвоночными, а также с холоднокровными позвоночными (рыбы, амфибии) показали, что и эти животные оказались способными возвращаться к жизни после пребывания при температуре ниже нуля, например при —10, —14° и более низких температурах. Гусеницы кукурузного мотылька, зимующие в стеблях травянистых растений, при —30° нередко замерзают настолько, что становятся совершенно твердыми и сохраняются в течение многих лет; после оттаивания они продолжают жить. В специально поставленных опытах эти гусеницы «оживали» после суточного пребывания в температуре —78° в замерзшем, твердом, как стекло, состоянии. Однако возвращение этих животных к жизни после пребывания в отрицательных температурах возможно лишь в тех случаях, когда во время охлаждения их тканевые жидкости в жизненно важных органах находились в жидком переохлажденном состоянии. Когда же тканевые жидкости замерзают и кристаллики льда нарушают внутриклеточные структуры, при оттаивании неизбежно наступает смерть.

Открытие явления витрификации имеет важное практическое значение. Уже в настоящее время разработаны способы хранения спермы сельскохозяйственных животных в сжиженных газах при температуре —180–190°. В витрифицированном виде сперма может находиться, сохраняя свою жизнеспособность, в течение нескольких месяцев, и после оттаивания ее можно использовать для искусственного осеменения. Высушенная при определенных условиях сперма также может храниться очень долго, не теряя своей жизнеспособности.

Различные формы применения холодного анабиоза имеют важное практическое значение для медицины. Применяя методику высушивания с помощью низких температур, готовят вакцины, которые сохраняют иммунизирующие свойства в течение ряда лет. Мгновенное замораживание крови не нарушает структуры ее элементов и дает возможность после длительного хранения использовать ее для переливания больным и раненым.

Описанные выше опыты подсказаны науке природой. Многие организмы при наступлении периодов с неблагоприятными условиями прекращают активную жизнь и впадают в различного рода пассивные состояния, связанные с резким снижением обмена веществ. В неподвижном состоянии они оказываются способными переносить значительно более широкие колебания факторов среды, чем в активном состоянии. В нашем климате таким неблагоприятным периодом являются зимние холода. В оцепенении проводят зиму все земноводные (лягушки, жабы, тритоны), наземные пресмыкающиеся (ужи, ящерицы, змеи, черепахи), насекомые и другие наземные беспозвоночные. Это в меньшей мере относится к водной жизни, так как температура воды пресных вод не может снизиться ниже нуля, а морских — ниже —2°. Поэтому многие водные животные, например холоднолюбивые лососевые рыбы, зимой ведут активную жизнь, даже развитие их икры проходит в зимнее время. Вместе с тем многие теплолюбивые пресноводные рыбы средних широт (сазан, карась, сом) зимой не питаются, находятся как бы в сонном состоянии. Черепахи, живущие в жарком пустынном климате, впадают в спячку дважды: зимой и в самые жаркие летние месяцы (июль — август), когда выгорает растительность, которой они питаются.

Резко, хотя и не столь сильно, как во время зимнего оцепенения холоднокровных, снижается обмен веществ и температура тела во время зимней спячки млекопитающих. Из млекопитающих в спячку впадают многие тушканчики, сони, мышовки, ежи, некоторые виды летучих мышей, из хищных млекопитающих — барсук, енотовидная собака, медведь.

Число видов животных, впадающих в оцепенение в период летней засухи, более ограничено: среди них некоторые насекомые (клоп-черепашка), из позвоночных — пустынные черепахи, из млекопитающих — несколько видов сусликов. Африканская двоякодышащая рыба протоптерус при высыхании водоема зарывается в ил. Тело протоптеруса покрывается слизью, которая, подсыхая, образует вместе с прилегающим илом защитную капсулу. Рыба при очень сильно сниженном обмене дышит через отверстие в капсуле.

Особая форма пассивного состояния характерна для насекомых. Многие виды насекомых обладают способностью приостанавливать развитие и переходить на различных стадиях развития в состояние диапаузы. Различают эмбриональную, личиночную, куколочную диапаузы и диапаузу взрослой стадии. В состоянии диапаузы обмен резко снижен и изменен, легко переносятся низкие температуры и другие неблагоприятные условия среды, губительные для насекомого в активном состоянии. Например, в состоянии диапаузы насекомые нечувствительны или мало чувствительны к такому сильному яду, как цианистый калий.

В нашем климате диапауза чаще всего служит приспособлением к зимовке и наступает на той стадии, на которой данный вид зимует. Характерно, что зимующие стадии насекомых впадают в состояние диапаузы задолго до наступления холодов. Как показали исследования советского ученого А. С. Данилевского, у многих насекомых переход в состояние диапаузы вызывается укорочением продолжительности дня во второй половине лета. Бабочка-белянка в первом поколении (в начале лета) развивается без диапаузы, а во втором поколении, гусеницы которого живут в конце лета при более коротком дне, наступает куколочная диапауза, и в этом состоянии куколки зимуют. Здесь продолжительность дня играет роль сигнального фактора, обеспечивающего своевременную реализацию приспособлений к зимовке.

Кроме температурных условий, другими физикохимическими факторами внешней среды, определяющими жизнь живых существ, являются: кислород, вода, свет, давление, рельеф и структура почвы, солевой состав воды, радиация и т. д.

Кратко остановимся на некоторых из перечисленных факторов.

Кислород обязательно входит в состав живого вещества. Но, помимо кислорода, связанного химически, подавляющее число организмов нуждается и в свободном молекулярном кислороде для дыхания.

Без воды не может существовать живая протоплазма и организм в целом. Активная жизнь организмов протекает только тогда, когда количество воды в теле значительно превышает количество сухого вещества. Для построения своего тела организмы обязательно должны использовать воду из внешней среды или из пищи.

Одним из важнейших физико-химических условий является свет. Солнечный свет не только источник энергии для всей жизни на Земле, но влияет на рост растений, его морфологию, анатомическое строение, минеральное питание.

Растения очень чутко реагируют на освещение. Они, например, «замечают» такую разницу в длине дня, которую нелегко уловить и человеку. Изменение продолжительности дневного освещения всего на несколько минут оказывает существенное влияние на скорость развития некоторых сортов риса. А изменение освещенности в несколько часов способствует зацветанию растений. В связи с этим многие растения делятся на длиннодневные и короткодневные. Последние зацветают при длине дня меньше 14 часов. К короткодневным растениям относятся астры, хризантемы, георгины, картофель и др. Эти растения цветут обычно ранней весной или поздним летом. Растения других видов (например, свекла, клевер, лен, рожь, пшеница) зацветают только при продолжительности дня больше 14 часов. Многие растения нейтрально относятся к длине дня (хлопчатник, одуванчик, подсолнечник, помидор и др.).

Для жизни живых организмов немаловажное значение имеют и другие факторы: рельеф местности, структура почвы и т. п.