Организм как биосистема: размножение и развитие

Слово «организм» кажется само собой разумеющимся, пока не попробуешь провести границу. Кристалл соли растёт в насыщенном растворе; пламя питается кислородом, выделяет продукты горения и даже «размножается», перекидываясь на соседнюю ветку; вирус состоит из тех же веществ, что и клетка. Почему же живыми мы считаем только некоторых из них?

Потому что жизнь опознаётся не по одному признаку, а по их совокупности. По отдельности почти каждое свойство живого можно найти и у неживого; вместе они встречаются только у организмов.

Клеточное строение. Всякий организм состоит из клеток — одной или многих. Единственное исключение, о котором спрашивают, — вирусы: у них нет ни клеточного строения, ни собственного обмена веществ, и проявляют они признаки живого только внутри чужой клетки. Поэтому их и называют неклеточными формами жизни и ставят на границу живого и неживого.

Обмен веществ и превращение энергии. Организм постоянно берёт из среды вещества (питание, дыхание) и возвращает ненужное (выделение). Прекращение обмена веществ означает смерть — в отличие от кристалла, который может лежать неизменным тысячелетия.

Раздражимость — способность отвечать на изменения среды. У животных она осуществляется рефлексами через нервную систему, у растений — тропизмами (побег растёт к свету, корень вниз) и настиями (цветок одуванчика закрывается к ночи).

Рост и развитие. Эти два слова не синонимы, и различие спрашивают: рост — увеличение размеров и массы, развитие — качественные изменения, появление новых органов и признаков. Головастик, подрастая, растёт; головастик, отращивая лапы и теряя хвост, развивается.

Размножение — воспроизведение себе подобных, без которого вид существовать не может.

Саморегуляция — поддержание постоянства внутренней среды, гомеостаза. Температура тела, содержание сахара и воды удерживаются в узких границах, как бы ни менялись условия снаружи.

И последнее, что делает организм организмом, а не набором частей: целостность. Клетки объединены в ткани, ткани в органы, органы в системы, и работают они согласованно под управлением нервной и гуморальной регуляции. Вынутое из тела сердце не станет самостоятельным организмом, хотя и состоит из живых клеток.

При бесполом размножении участвует один родитель, гаметы не образуются, а потомство получается генетически точной копией материнского организма. Развивается оно из одной клетки или из части тела родителя путём митоза — оттого копии и точные.

Форм бесполого размножения несколько, и различать их надо по тому, что именно отделяется.

Деление надвое — у одноклеточных: амёба, инфузория, бактерии. Материнская клетка делится на две равные дочерние, и «родителя» после этого не остаётся вовсе.

Почкование — на теле родителя вырастает вырост, который потом отделяется: так размножаются пресноводная гидра и дрожжи. У гидры почка может и не отделиться, тогда получается колония.

Спорообразование — размножение мелкими клетками, разносимыми ветром и водой: у грибов, мхов, папоротников, хвощей и плаунов. Здесь важна ловушка, которую ставят регулярно: спора бактерии — это не размножение. Бактерия, попав в плохие условия, сжимается и покрывается плотной оболочкой, переживая в таком виде жару, холод и высыхание; из одной бактерии получается одна спора, и числа особей это не увеличивает. У грибов и растений спора служит именно размножению и расселению.

Вегетативное размножение — частями тела растения, и оно заслуживает отдельного разговора, потому что на нём стоит всё садоводство. Картофель размножают клубнями, лук и тюльпан — луковицами, землянику — усами, малину и сирень — корневыми отпрысками, смородину и иву — черенками, фиалку — листом, а плодовые деревья — прививкой, приживляя почку или черенок сортового растения на выносливый подвой.

Почему садовод размножает сортовую яблоню прививкой, а не семенами? Потому что семя получается половым путём и несёт новое сочетание генов: выросшее из него дерево почти наверняка окажется хуже родительского. Прививка же — бесполое размножение, и привитая ветка полностью повторяет сорт. Это и есть главное преимущество бесполого размножения в хозяйстве: сохранение сортовых признаков. Второе преимущество — скорость: не нужно искать партнёра и ждать созревания семян.

При половом размножении участвуют две половые клетки — гаметы. Женская, яйцеклетка, крупная и неподвижная, содержит запас питательных веществ. Мужская, сперматозоид, мелкая и подвижная. Образуются гаметы мейозом и потому несут половинный набор хромосом. Слияние гамет называют оплодотворением, а образовавшуюся клетку — зиготой: в ней набор хромосом снова полный, и с неё начинается новый организм.

У животных различают два типа оплодотворения, и выбор между ними жёстко связан со средой.

Наружное — гаметы выметываются в воду, и слияние происходит вне тела: у большинства рыб и у земноводных. Икры при этом мечут огромное количество: в воде гаметы гибнут и поедаются, и до взрослого состояния доживают единицы. Именно поэтому лягушка, как бы далеко от водоёма она ни жила, размножаться может только в воде — это ограничение земноводные так и не преодолели.

Внутреннее — сперматозоиды попадают в половые пути самки: у пресмыкающихся, птиц, млекопитающих, а из беспозвоночных — у насекомых и паукообразных. Гаметы при этом не гибнут, и потомства нужно гораздо меньше. Именно внутреннее оплодотворение вместе с яйцом, защищённым плотной оболочкой, позволило позвоночным окончательно оторваться от водоёма.

У цветковых растений оплодотворению предшествует опыление — перенос пыльцы с тычинки на рыльце пестика ветром, насекомыми, водой или человеком. Дальше происходит то, чего нет больше нигде в живой природе и что открыл русский ботаник С. Г. Навашин в 1898 году, — двойное оплодотворение. Пыльцевое зерно прорастает в пыльцевую трубку, по которой к семязачатку спускаются два спермия. Первый сливается с яйцеклеткой, и из зиготы развивается зародыш. Второй сливается с центральной клеткой, и из неё образуется эндосперм — запасающая ткань, питающая зародыш. Из семязачатка получается семя, из завязи пестика — плод.

Смысл этого устройства хозяйственный и очевидный: запас питательных веществ создаётся только тогда, когда оплодотворение действительно произошло. Растение не тратит вещества впустую. Ради этого эндосперма человек и выращивает зерновые: мука — это в основном он.

Онтогенез — индивидуальное развитие организма от образования зиготы до конца жизни. Делят его на два периода.

Зародышевый (эмбриональный) — от зиготы до рождения, вылупления из яйца или прорастания семени. Зигота начинает делиться митозом, клеток становится больше, они специализируются, образуются зародышевые листки, из которых потом разовьются разные органы.

Послезародышевый (постэмбриональный) — от рождения до смерти, и вот он бывает двух принципиально разных типов.

Прямое развитие — детёныш похож на взрослого и отличается главным образом размерами: у пресмыкающихся, птиц, млекопитающих, а из беспозвоночных — у пауков и дождевых червей.

Непрямое развитие, или развитие с превращением (метаморфозом) — из яйца выходит личинка, не похожая на взрослое животное ни строением, ни образом жизни. Различают две его формы. Полное превращение, где есть стадия куколки: яйцо → личинка → куколка → взрослое насекомое; так развиваются бабочки, жуки, мухи, пчёлы, комары. Неполное превращение — без куколки: яйцо → личинка → взрослое насекомое; так развиваются кузнечики, саранча, тараканы, клопы, стрекозы, и личинка у них уже похожа на взрослое, только меньше и без крыльев.

Зачем природе понадобилась личинка, если можно сразу вывести маленькую копию? Ответ даёт биологический смысл метаморфоза, и его надо уметь сформулировать: личинка живёт в другой среде и питается другой пищей, поэтому не конкурирует со взрослыми особями за корм. Гусеница ест листья, бабочка пьёт нектар; головастик соскабливает водоросли, лягушка ловит насекомых; личинка стрекозы охотится в воде, взрослая стрекоза — в воздухе. Второе назначение личинки — расселение: у сидячих и малоподвижных животных именно подвижная личинка разносит вид по новым местам.

Превращение лягушки стоит запомнить по порядку, его спрашивают прямо. Самка мечет икру в воду, самцы тут же её оплодотворяют — оплодотворение наружное. Из икринки выходит головастик, похожий не на лягушку, а на малька рыбы: хвост, боковая линия, наружные жабры, двухкамерное сердце и один круг кровообращения. Затем у него развиваются внутренние жабры, мускулатура и скелет, появляются задние, а потом передние конечности, и последним жаберное дыхание сменяется лёгочным — только теперь лягушонок выходит на сушу.

И различение, которое остаётся верным на всём протяжении темы: рост у растений обычно неограниченный, дерево прибавляет в размерах всю жизнь, а у большинства животных рост ограничен определённым возрастом.

Тот же принцип «личинка живёт иначе, чем взрослое животное» работает и у паразитов, только там он служит не расселению, а смене хозяина. У бычьего цепня членики с яйцами выходят наружу с испражнениями человека, яйца вместе с травой проглатывает корова, в её мышцах образуются финны, и человек заражается, съев плохо проваренное мясо. Взрослый червь развивается уже в кишечнике человека. Разорвать такой цикл можно на любом его шаге — и именно на этом стоят все меры профилактики: очистка сточных вод, ветеринарный контроль мяса и достаточная тепловая обработка.