Изоморфизм и минеральное происхождение биологических форм

Считается, что клеточные органеллы не имеют ничего общего с кристаллами. В гидратированном состоянии они действительно непохожи на минералы по своему строению. Однако на определенных стадиях клеточной дифференцировки и при соответствующих условиях внутриклеточной среды из тех же самых органелл формируются чисто кристаллические образования.

Рис. 3. Кристаллические формы вирусов. А. Октаэдрические кристаллы вируса желтой мозаики турнепса. Б. Кристаллы вируса кустистой карликовости томата. В. Гексагональное расположение частиц лируса желтой мозаики вигны китайской.

Рис. 4. Кристаллические формы внутриклеточных веществ. А. Кристаллы фермента альдолазы. Б. Кристаллы щавелевокислого кальция в клетках растения Begonia; слева - простые, справа - друзы.

Рис. 5. Кристаллические формы клеточных органелл. А. Кристаллическая структура, образованная рибосомами в клетках курицы. Б. Кристалл из частиц сердцевины нуклеосом. В. Кристаллическая упаковка хромосом сперматиды насекомого Melanoplus. Г. Правильная решетка из трансмембранных частиц в тилакоидных мембранах шпината.

К органеллам, встречающимся в клетках в таком виде, принадлежат:

1) рибосомы;

2) нуклеосомы;

3) хромосомы;

4) тилакоидные мембраны хлоропластов.

Функционирующие рибосомы имеют яйцевидную форму, но могут образовывать и кристаллические агрегаты. Последние наблюдаются в клетках кур, мышей и других животных после выдерживания клеток при температуре 5-15 °С. Нуклеосомы - это повторяющиеся структурные единицы хромосом эукарнот, образуемые комплексами ДНК с гистонами. Частицы белкового кора нуклеосом образуют кристаллическую решетку с гексагональной упаковкой. Целые хромосомы также могут образовывать кристаллические структуры. Это происходит на определенной стадии развития, а именно после превращения зародышевых клеток в сперматиды. На этой стадии изменяется содержание белков в хромосомах и происходит плотная упаковка всех хромосом ядра в кристаллическую структуру; наиболее отчетливо она проявляется у саранчи.

Хлоропласта содержат мембранные структуры различных типов, в том числе тилакоиды. Последние образуют правильные кристаллические решетки.

Все указанные выше органеллы состоят в основном из белков и нуклеиновых кислот, способных образовывать кристаллы; поэтому нас не должно удивлять проявление этой же способности и у органелл.

Формообразование минерализованных тканей: иллюстрация внутриклеточных структурообразующих влияний на атомном уровне

К проблеме дифференцировки относится и следующий вопрос: каким образом в развивающемся эмбрионе из неорганических веществ строятся твердые кристаллоподобные структуры костей, спикул или раковин? Эти образования представляют собой трехмерные решетки соединений кальция, кремния, магния, других элементов, в чистом виде или в смеси, составляющих так называемые биокристаллы. Эти последние в химическом отношении неотличимы от кристаллов неживой природы, однако их внешние конфигурации видоспецифичны.

Спикулы личинки морского ежа состоят из углекислого кальция, небольшой доли солей магния и какого-то органического вещества. С помощью физических методов исследования, в частности метода рентгеноструктурного анализа, было показано, что молекулы СаС0₃ здесь расположены так же упорядочение, как и в кристалле небиологического кальцита. Однако по своему внешнему виду биокристалл отличается от кальцита; для каждого вида морского ежа он принимает уникальную конфигурацию. Сигналы об изменении конфигурации кальцитного образования исходят от ядер специализированных клеток, называемых микромерами, и передаются клеткам мезенхимы, строящим биокристалл.

Рис. 6. Одно и то же химическое соединение принимает разные формы в разных клеточных средах. Моногидрат щавелевокислого кальция: различные формы кристаллов в клетках растений разных видов. А и Б - соответственно продольный и поперечный разрезы рафид в Impatiens; В-друза в Opuntia; Г - "кристаллический песок" в Solatium; Д - тетрагональный кристалл дигидрата щавелевокислого кальция. // Спикулы губок: У - кальцит, монорадиальиые; 2 - кальцит, трирадиальные; 3-7 - кремнеземные спикулы.

Рис. 7. А. Личинка морского ежа Arbacia со скелетными спикулами. Б. Каждая спикула, независимо от сложности формы, по оптическим свойствам представляет собой как бы часть единого кристалла кальцита, кристаллографическая ось которого параллельна главной длинной оси спикулы

По данным Иноуэ и Оказаки, на начальных стадиях развития живых организмов кристаллы в них образуются с помощью тех же простых химических процессов, что и в неорганическом мире. Биокристаллы в клетке формируются при участии тех же межатомных взаимодействий, которые приводят к кристаллизации углекислого и фосфорнокислого кальция в чашке Петри. Только в ходе дальнейшего развития клетка использует информацию, поступающую от ядра, для придания кристаллам новых конфигураций. Иноуэ и Оказаки пишут: "В биокристаллах осуществляется драматическое взаимодействие между неуправляемыми молекулярными силами, стремящимися к образованию равновесной конфигурации при минимуме энергии, и организующей способностью живых клеток. Жизнь по необходимости подчиняется законам неодушевленной природы, но вместо того, чтобы использовать грубую силу, она как бы канализирует поток энергии, направляя вещество на образование форм все более сложных и термодинамически маловероятных". Построение кристаллов в клетке осуществляется с использованием сил межатомного взаимодействия и подчиняется законам физической химии. Роль генов сводится к второстепенным совершенствованиям формы.

Основные типы паттернов, свойственных растениям, проявляются уже у минералов.

Считается, что паттерны, характерные для растений и животных, определяются исключительно структурой их генов и хромосом. Однако на ближайших страницах мы покажем, что большая часть этих паттернов, а возможно, и все они, уже присуща минералам. Более того, к таким минералам относятся и предельно простые по составу, даже состоящие из одного чистого элемента, например меди. Этн паттерны существовали в - природе до появления генов, и возникали они независимо от сложности состава минерала.

Явление изоморфизма минералов и растений охватывает все основные морфологические характеристики последних: внешнюю форму организма, ранние стадии роста, форму ствола, листьев, строение цветков и плодов.

Разветвленные структуры, характерные для многих видов водорослей, например Fucus bifurcatus, встречаются уже у дендритов - самородков меди. В неокисленном состоянии атомы меди, соединяясь друг с другом, образуют структуры, называемые в минералогии "дендритными". Минералоги давно указывали на сходство роста минерала и дерева. Различные фигуры могут возникать и на более простых этапах эволюции природы, чем этап образования минералов. Чисто физическое явление - электрический разряд - сопровождается появлением рисунка, мало чем отличающегося от рисунка, характерного для поперечного сечения корня растения, морской звезды Gorgonocephalus или нервной системы Antedon. От центра исходят извилистые линии, картина ветвления которых во всех четырех случаях настолько сходна, что трудно указать различия между ними.

Развивающиеся органы растений, например молодые побеги папоротника Pteridium aquilinum, настолько похожи на кристаллы льда, получающиеся прн конденсации водяных паров, что эти кристаллы часто называют "растениеподобными образованиями". У обеих структур одинаковые углы искривлений, сходные формы ветвей, имеющих одинаковые наклоны и заостренные концы. Эти рисунки, характерные для кристаллов льда и папоротника, наблюдаются и у представителей животного царства, например у личиночной стадии стеблевидной морской лилии.

Рис. 8. Формы ветвистых тел. А. Минерал: дендрит самородной меди. Б. Растение: водоросль Fucus bifurcatus. В. Беспозвоночное: ветка колонии гидроида Aglaophenia. Иллюстрация составлена автором.

Центральный орган большинства растений - стебель или ствол - имеет конструкцию, наблюдающуюся у ряда минералов. Один из них, малахит, содержащий углекислую медь, образует характерные концентрические кольца неравной толщины, разделенные на сектора с закругленными краями. Замечательно сходны с этой картиной поперечный срез стебля растения сем. Bignoniaceae и фигуры, образуемые бактериальной культурой. Эти два последних объекта имеют общую 'биологическую особенность: оба они образуются в результате последовательных наслоений новых поколений клеток по периферии вокруг центра роста. Минерал также растет путем последовательного образования молекулярных слоев вокруг одного центра.

Можно привести еще два примера структур, формирующихся подобно стенкам стебля; одни из них образуются в ходе простой физико-химической реакции.

Рис. 9. Ветвящиеся фигуры, наблюдающиеся в ходе различных процессов и в разных биологических структурах. А. Физический процесс: электрический разряд. Б. Растение: поперечный разрез молодого корешка. В. Беспозвоночное: морская звезда Gorgono-cephalus. f. Беспозвоночное: поперечный разрез щупальца Antedon. Иллюстрация составлена автором.

Рис. 10. Растущие кристаллы и органы. А. Молекулы: кристаллы льда, образовавшиеся из конденсирующихся паров воды. Б. Растение: молодые побеги папоротника Pteridium aquilinum. В. Беспозвоночное: личиночная стадия стеблевой морской лилии. Иллюстрация составлена автором.

Это - давно известные кольца Лизеганга, появляющиеся при диффузии в желатине компонентов смеси растворов азотного серебра и двухромовокислого калия. При этом образуются периодически расположенные кольца осадка хромата серебра на желатине. Минералоги отмечали сходство этой картины с рисунком агата. Кольца, наблюдающиеся на срезе этого минерала, образовывались растворенными соединениями железа, проникавшими в кремнеземный гель, накапливавшийся слоями. Их рисунок сходен с картиной поперечного среза стебля растения Мисипа altissima.

Рис. 11. Структура, характерная для среза ствола. А. Минерал: малахит-₂С0₃]). Б. Бактериальная культура: радиальный рост Bacterium anthracis на желатине. В. Растение: поперечный разрез стебля растения сем. Bignoniaceae.Г. Беспозвоночное: личинка медузы Rhizostoma. Иллюстрация составлена автором.

После корня и стебля следующим по важности органом является лист. Самородки чистого золота в нативном состоянии очень похожи на листья папоротника Dryopteris, которые в свою очередь нелегко отличить от усика насекомого Samia calif ornica и от скелета Captorhinus.

Рис. 12. Слоистые кольцевые структуры. А. Молекулярный процесс: кольца Лизеганга в смеси азотнокислого серебра и двухромовокислого калия в желатине. Б. Растение: поперечный разрез стебля Мисипа. altissima. В. Минерал: агат; растворенные минералы осаждаются слоями в тонкозернистом кварце. Г. Позвоночное: поперечный разрез основания волоса в коже человека. Иллюстрация составлена автором.

Структуры, напоминающие цветок, встречаются уже у минералов. На цветок Cycadeoidea похож арагонит, а также беспозвоночные, *обычно называемые морскими анемонами или морскими цветами. Другой минерал, ангидрит, образует кристаллы, напоминающие цветок кувшинки Nymphaea.

Рис. 13. Листовидные структуры. А. Минерал: самородок чистого золота. Б. Растение: лист папоротника Dryopteris filix-mas. В. Беспозвоночное: антеииа насекомого Samia californica. Г. Позвоночное: часть скелета" Captorhinus. Иллюстрация составлена автором.

Рис. 14. Структуры, напоминающие цветок. А. Минерал: арагонит - кар-Сонат кальция с большей плотностью, чем кальцит. Б. Беспозвоночное: актиния с ее "жалящими" щупальцами. В. Растение: продольный разрез цветка Cycadeoidea ingens. Г. Беспозвоночное: голотурия Cucumaria planci. Иллюстрация составлена автором.

Рис. 15. Структуры, напоминающие цветок. А. Минерал: кристаллы ангидрита, безводного сульфата кальция CaSO. Б. Беспозвоночное: колониальная пелагическая коловратка Conochilus volvox (Barnes, 1980). В. Беспозвоночное: свободно плавающая асцидия Octacne-mus. Г. Растение: цветок Nymphaea etegans. Иллюстрация составлена автором.

Фрукты также имеют форму, встречающуюся у минералов, например многие шаровидные и яйцевидные плоды апельсинов и груш; такие же формы бывают у минералов псевдомалахита и фишерита, как, впрочем, и у некоторых одиночных клеток. Поверхность плода Durio zibethinus покрыта семенами, трудно отличимыми от кристаллов.

Что означает изоморфизм минералов и растений?

Подведем итог приведенным выше примерам изоморфизма.

Самородная медь - конфигурация водоросли.

Электрический разряд-сечение корня.

Кристаллы льда - побеги папоротника.

Малахит - разрез стебля.

Агат - разрез стебля.

Самородок золота - лист папоротника.

Арагонит-разрез цветка.

Ангидрит - цветок кувшинки.

Псевдомалахит - плоды.

Кальцит--поверхность плода.

Этот список кажется набором разрозненных фактов. Таким и было отношение к нему биологов; факты подобия считались случайными и не заслуживающими внимания. Можно, конечно, сказать, что в водорослях мало меди, а листья не состоят из золота, и это безусловно правильно. Дело, однако, в том, что коренные причины этих явлений скрыты глубже, поэтому их не заметили.

Ключ к пониманию причин изоморфизма дает нам изучение эволюции минералов. Одинаковые кристаллические формы образуют минералы самого разного химического состава. Следовательно, форма определяется не составом; существует общая химическая основа изоморфизма, не всегда явная. Это может быть химический радикал, атомная группировка или электронная конфигурация. Некоторые минералы с одинаковой формой кристаллов содержат и одинаковые химические радикалы.

Итак, и у минералов, и у растений идентичность или сходство формы не обязательно связано с идентичностью химического состава. В основе изоморфизма может лежать определенная атомная или электронная конфигурация. Конкретная физико-химическая ее идентификация пока неосуществима, но иначе и не может быть, поскольку само явление обнаружено впервые.

Аналогичные соображения справедливы и для явления "электрического" изоморфизма. Конечно, корень растения для своего роста не нуждается в электрических разрядах. Однако в данном случае сходство может означать, что электроны, проходящие с высокой скоростью через газ, ведут себя подобно электронам в составе атомов, участвующих в росте корня.

Рис. 16. Образование кристаллов у растений и животных. А. Минерал; друзы кальцита - карбоната кальция. Б, Растение: пыльцевое зерно Lavatera sp. В. Растение: плод Du-rio zibethinus; в разрезе видны семена. Г. Позвоночное: триасовая черепаха Proganochelys, Иллюстрация составлена автором.

Подобие может зависеть не только от атомной или электронной структуры веществ; столь же существенное значение могут иметь давление, температура, свойства газообразной или жидкой среды, в которой вещества распространяются. Эти параметры до сих пор не изучались, потому что им не придавали значения в данной связи. Объяснить, что собой представляют конкретные случаи изоморфизма, и выявить то общее, что скрыто в его основе, смогут только дальнейшие исследования. Я пытаюсь лишь дать толчок изучению конфигурации у растений, основанному на учете чисто физико-химических факторов.

Основные паттерны, характерные для животного мира, наблюдаются уже у минералов.

Какое отношение могут иметь формы минералов к таковым у животных и даже у человека? Как это ни удивительно, большая часть геометрических форм, рисунков, фигур, встречающихся в структурах органов и тканей у животных, наблюдается уже у минералов и образуется в ходе простых физико-химических процессов.

Извилины головного мозга человека часто связывали с таким важным качеством, как интеллект. Однако аналогичный рисунок мы обнаруживаем уже у беспозвоночных, растений и при чисто физико-химических процессах. Коралл Meandrina cereb-riformis так похож на мозг человека, что натуралисты назвали его мозговым кораллом. Рисунок, наблюдаемый на срезе гриба Tuber rufum, также трудно отличить от изображения мозга. Сходные извилистые структуры возникают под действием магнитного поля в смеси жидкостей, одна из которых является взвесью частиц магнетита в керосине.

Еще одну деталь, свойственную организму человека, можно найти у минералов. Швы, соединяющие кости черепа у человека, по своему рисунку очень похожи на швы у раковин ископаемых головоногих, у растительных клеток и в цинковой обманке. Общим для всех указанных четырех уровней организации является сжатие, испытанное частями материала, однако этого объяснения явно недостаточно.

Общие внешние черты строения скелета животного, усика насекомого, листа растения, самородка золота иллюстрирует рис.9.13.

Ветвящиеся структуры, характерные для птичьего пера, прослеживаются также у снежинок, у кремнеземных скелетов простейших - радиолярий. На чешую панголина - млекопитающего, поедающего муравьев, - похожи поверхность шишки дерева, раковина моллюска Conus, кристаллы каменной соли.

Рис. 17. Извилины. А. Минеральная среда: рисунок, напоминающий лабиринт; он возникает при контакте магнитной жидкости с несмешивающейся немагнитной в однородном горизонтальном магнитном поле. Магнитная жидкость представляет собой суспензию тонко измельченного порошка минерала магнетита в керосине. Б. Растение: поперечный разрез плодового тела гриба Tuber rufutn. В. Беспозвоночное: мозговой коралл Meandrina cerebriformis. Г. Позвоночное: правое полушарие' мозга Homo sapiens, вид с внутренней стороны. Иллюстрация составлена автором.

Рис. 18. Швы. А. Минерал: конкреция цинковой обманки - руды сульфида цинка, или сфалерита. Б. Беспозвоночное: швы у аммоноидов, имеющие разную величину зубцов. В. Растение: кутикула одного из видов Sagenopteris, папоротника юрского периода. Г. Беспозвоночное: у аммоноидов, ископаемых головоногих, имеются швы различной степени сложности. Д. Позвоночное: швы в черепе Homo sapiens. Иллюстрация составлена автором.

Рис. 19. Ветвистые структуры. А. Молекулярные образования: снежинка - кристалл с характерными лучами. Б. Простейшее: внутренний кремнеземный скелет радиолярии. В. Позвоночное: перо птицы. Г. Беспозвоночное: фильтр веерного червя Sabella. Иллюстрация составлена автором.

Рога дикого барана имеют внешнюю форму и пластинчатое строение, характерное для раковины моллюска Vermetus и для изогнутых стопок кристаллов хлорита. Колючки тропической рыбы Diodon, иглы гребневого индийского дикобраза, шипы моллюска Мигех похожи на группу кристаллов арагонита, состоящего из карбоната кальция.

Рис. 20. Чешуйчатые образования. А. Минерал: кристаллы поваренной соли. Б. Беспозвоночное: поверхность раковины моллюска Conus milneedwardsi. В. Позвоночное: чешуйчатый муравьед панголин Manis temminckil. Г. Растение: чешуйки плода Pinus pinea. Иллюстрация составлена автором.

Рис. 21. Формирование роговидных структур. А. Минерал: изогнутые стопки кристаллов хлорита. Б. Беспозвоночное: раковина моллюска Vermetus dent if eras. В. Позвоночное: рог дикого барана Ovis аттоп. Г. Растение: одноклеточный волос Althaea rosea. Иллюстрация составлена автором.

Рис. 22. Шипы. А. Минерал: кристаллы арагонита, карбоната кальция. Б. Позвоночное: индийский гребневой дикобраз Hystrix indica. В. Беспозвоночное: длинные шипы моллюска Murex triremis. Г. Позвоночное: тропическая рыба Diodon hystrix с оттопыренными шипами. Иллюстрация составлена автором.

Пластины динозавров и современных морских ежей рода Heterocentrotus напоминают кристаллы гипса. Панцирь ископаемой черепахи Proganochelys не очень отличается от кристаллических минеральных образований. Рога оленя, носорога, двустворчатого моллюска по конфигурации похожи на кристаллы арагонита. Четкий шестиугольный рисунок характерен для тела рыбы Ostracion triqueter, для гриба Dictyophora, для ячеистых глаз насекомых и для кристаллов известкового шпата. В последнем случае наблюдается полная геометрическая идентичность. Рыба, растение, насекомое воспроизводят рисунок минерала без изменений.

Что означает сходство форм животных и минералов?

Итак, мы упомянули следующие случаи изоморфизма: Магнетит в керосине - извилины мозга человека. Сернистый цинк - швы в черепе человека. Самородок золота - скелет животного. Снежинки - птичьи перья. Каменная соль - чешуя панголина. Кристаллы хлорита - рога барана. Кристаллы арагонита - иглы дикобраза. Кристаллы гипса - пластины динозавров. Кристаллы арагонита - рога оленя.

Кристаллы кальцита - шестиугольный рисунок глаза насекомого и тела рыбы.

На первый взгляд список кажется таким же набором разрозненных фактов, как и в случае изоморфизма растений; однако внешнее впечатление обманчиво. Магнитные частицы как будто не имеют никакого отношения к мозгу человека, но это может быть и не так. Недавно было обнаружено, что бактерии ориентируются в магнитном поле, так как содержат частицы магнетита. В связи с этим небезынтересным представляется и наличие частиц магнетита в черепе голубей; по-видимому, именно с его помощью голуби ориентируются в геомагнитном поле.

Рисунок, характерный для швов в черепе человека, прослеживается и в кристаллах сернистого цинка, но может встречаться и у других минералов. По-видимому, одной из причин его образования является сжатие материала. Химический же состав минерала может играть роль лишь постольку, поскольку он определяет сжимаемость, а по этому показателю материал должен быть близок к кости человека. Перья птиц и кристаллы льда, по-видимому, образуются в процессе непосредственного присоединения однородных молекул к некоему центру роста в воздушной среде. Такова может быть в данном случае основа сходства рисунка. Соответствие внешних форм самородка золота и части скелета с позвоночником также, вероятно, связано со свободным присоединением атомов в воздушной среде, с одной стороны, и свободных молекул в эмбриональной жидкости - с другой. Химический состав вещества здесь, возможно, менее важен, чем механизм его связывания структурой.

Рис. 23. Пластинчатые образования. А. Минерал: кристаллы гипса - селенита CaS0₄-2H₂0. Б. Беспозвоночное: морской еж Hetero-centrotus mamillatus, у которого иглы превратились в большие пластины В. Позвоночное: ископаемый ящер Stegosawus с большими спинными пластинами и хвостовыми шипами. Иллюстрация составлена автором.

Рис. 24. Роговидные структуры. А. Минерал: кристаллы арагонита - карбоната кальция. Б. Позвоночное: рог оленя Rucervus schomburgki. В. Позвоночное: череп носорога Ceratotherium simum. Г. Беспозвоночное: моллюск двустворчатый Pilar lupinaria с острыми рогами. Иллюстрация составлена автором.

Рис. 25. Шестиугольный рисунок. А. Минерал: кристалл известкового шпата - кальцита СаСОз. Б. Беспозвоночное: вверху - голова насекомого с гексагональной структурой сложных глаз, внизу - микрофотография гексагональных линз глаза осы. В. Растение: гриб Dictyophora phalloidea. Г. Позвоночное: рыба Ostracion triqueter. Иллюстрация составлена автором.

Каменная соль образует слои чешуек, похожие на те, что покрывают тело панголина. Это не значит, что форму чешуи определяет хлористый натрий, содержащийся в клетках млекопитающего; наоборот - в этих случаях одинаковый эффект дают разные минеральные вещества. Сходство форм рогов барана, некоторых раковин и кристаллов хлорита весьма значительно. Совпадают не только радиусы кривизны. Во всех трех случаях видны стопки из последовательно наложенных сегментов постепенно уменьшающихся размеров. Таким образом, здесь изоморфизм обусловлен не только химическим составом, но и определенным способом укладки молекул в стопки.

И арагонит, и кальцит состоят из карбоната кальция, но такие же кристаллы дают и другие минералы, так что для образования игл и шипов тоже важен не столько химический состав, сколько структура, характерная для минералов.

Поразительны отчетливость и совершенство воспроизведения гексагональной структуры. Однако следует заметить, что шестиугольный рисунок глаза насекомых и чешуи рыб не обязательно должен быть образован кристаллами кальцита. Такие же геометрические фигуры свойственны и другим минералам. Существенно, что для создания чистых гексагональных форм ни рыбам, ни насекомым не нужны никакие гены; такие же структуры может с тем же успехом образовать и минерал.

Насекомое напоминает лист. Результат физико-химического изоморфизма.

Растение может походить на животное, но и животное может напоминать растение. Есть насекомые, поразительно сходные по форме и цвету с листьями. До сих пор это объясняли естественным отбором. Я предлагаю другой, более простой механизм появления сходства по форме и окраске.

В чем конкретно заключается сходство листа и насекомого, каковы наиболее явные общие черты? Крылья насекомого имеют зеленый цвет и симметричные очертания, характерные для листа, на их поверхности видны выступы, подобные жилкам листа. Все эти элементы сходства обусловлены идентичностью атомно-молекулярной организации указанных структур. Основной ее особенностью у растений, как и у тела и органов животных, является симметрия; как мы говорили выше, и в растительном, и в животном царствах распространены ветвистые структуры. Формы, напоминающие лист, встречаются и у минералов. Выступы на лепестках цветов и на крыльях насекомых, как правило, настолько сходны, что их обозначают общим термином "жилки".

В геноме насекомых, как и других животных, имеются гены, унаследованные от предков растений еще до разделения растений и животных многие миллионы лет назад. Часть этих генов может не проявляться; возможно, у насекомых они подавлены генами, характерными для животного генотипа. Однако совместное влияние унаследованных минеральной внутренней среды и древних "растительных" генов на определенные молекулярные механизмы может дать неожиданный результат: появляется насекомое, похожее на лист.

Очень важны данные о молекулярной природе зеленых пигментов, синтезируемых в организме насекомых. Можно было бы думать, что они совершенно отличны от аналогичных растительных пигментов, однако это не так. К пигментам насекомых относятся каротиноиды - продукты растительного происхождения - и порфирины, которые могут быть продуктами деградации хлорофилла. Обычный зеленый пигмент насекомых - инсектовердин - представляет собой комплекс белка с соединениями, имеющими синюю и желтую окраску; первое в ряде случаев представляет собой антоцианин, а второе - обычно каротиноид. Оба этих вещества являются основными растительными пигментами. Вряд ли возможно большее сходство молекул, определяющих окраску насекомых и листьев растений.

Мне представляется, что молекулярный механизм сходства между насекомым и растением проще и более приемлем в генетическом отношении, чем предположение о естественном отборе. Даже самая интенсивная дифференцировка в ходе репродукции вряд ли способна привести к такому сходству, если в организме насекомого не заложены заранее атомные, молекулярные импринты и гены растительного происхождения. К тому же внешнее сходство с листом отнюдь не должно коррелировать с условиями окружающей среды либо представлять собой прямую адаптацию, благоприятную или нет для животного или растения. Конвергенция возникает просто в силу того, что в данный период эволюции молекулярные механизмы могли породить только насекомые, внешне сходное с листом, и ничто другое. Организацией клеточных компонентов управлял физико-химический изоморфизм, который и определял, когда и каким образом насекомое должно было стать похожим на лист.

Животное копулирует с цветком

В работах, посвященных биологии орхидных растений, описывается ситуация поистине поразительная с точки зрения многих наблюдавших это явление натуралистов. Удивляет тот факт, что насекомые практически копулируют с цветками некоторых родов орхидных. Явление это складывается из ряда компонентов. Цветки Ophrys insectifera и О. apifera по морфологии и окраске сходны с телом осы Gorytes. Эти цветки выделяют химическое вещество, запах которого привлекает к ним ос-самцов указанного рода. Последние появляются на свет за несколько недель до самок и в этот период не находят половых партнеров. Такие самцы садятся на цветки орхидных и пытаются копулировать с ними, делая соответствующие движения. Привлеченные формой, окраской и запахом цветка, они воспринимают его как партнера-самку. Во время этой половой активности пыльца цветка прилипает к голове осы. Так при перелетах насекомого от цветка к цветку происходит опыление.

Важный аспект этого биологического явления заключается в следующем: растение настолько уподобляется насекомому, что воспринимается им как партнер-самка. Благодаря выделению феромона подобие это становится таким полным, что биологи в большинстве своем сомневаются, чтобы такой результат мог дать естественный отбор. Это явление в основном обсуждалось еще до развития молекулярной биологии, и в то время найти ему объяснение было затруднительно. Однако натуралисты были совершенно правы, считая, что причины следует искать в чем-то другом помимо естественного отбора. Мы уже приводили данные о глубине сходства между растениями и животными. У них общие истоки в мире атомов и минералов, одна и та же основа организации клеток и хромосом, много сходных биохимических и генетических механизмов, множество близких или идентичных генов.

Сегодня очевидно, что если бы в основе развития растений и животных лежали неродственные молекулярные системы, то естественный отбор и за миллиарды лет не смог бы сделать их похожими. Морфологическое, физиологическое и функциональное сходство между цветком орхидных и насекомым представляется детерминированным результатом физико-химического изоморфизма. Во взаимосвязанности этих организмов ничего удивительного нет.

У раковин моллюсков имеются рога, но эти животные не сражаются из-за самок. У раковин некоторых видов моллюсков имеются рога такой же формы и столь же острые, что и у носорога. При этом относительный размер рогов у раковины моллюска даже больше, чем у млекопитающих. Здесь мы уже не можем сказать, что рога являются результатом полового отбора, которым объясняют наличие рогов у оленя и носорога, используемых во время ухаживания в поединках между самцами.

Рис. 26. Копуляция насекомого с цветком. 1 - цветущее растение Ophrys insectifera; 2 - самец насекомого Gorytes mystaceus выполняет копулятив-ные движения над цветком; 3 - самка того же вида; 4 - голова самца с пыльцевыми мешочками; 5 - цветок, изображенный отдельно так, чтобы показать его сходство с насекомым; 6 - цветок Ophrys bombyliflora с копулирующим самцом насекомого Eucera sp.

Моллюски не участвуют в поединках и не соперничают за самок по той простой причине, что многие их виды являются двуполыми. Однако у них рога более развиты, чем у млекопитающих, и, очевидно, развивались независимо от каких-либо форм конкуренции и полового отбора. Причины появления рогов следует искать в физико-химических механизмах формообразования, порождающих изоморфизм на различных уровнях эволюции. Уже у минерала арагонита без помощи генов и половых стимулов, формируются роговидные структуры, сходные с рогами моллюсков и млекопитающих. Анализ химического состава этих трех видов рога показывает, что подобие их форм> не случайно, а основано на ряде сходных химических особенностей.

Минеральные роговидные структуры состоят из углекислого кальция. Раковины моллюсков в основном состоят из кристаллов углекислого кальция, заключенных в сеть нз белковых волокон. Кристаллы могут быть типа кальцита или арагонита; белковая основа представляет собой как бы дубленый материал, сходный с кожей. Рог носорога состоит из кератина. Кожа представляет собой почти чистый кератин; этот фибриллярный белок является основным компонентом рогов, копыт, волос, ногтей, шерсти, чешуи, перьев и близок к фиброину шелка. Основой раковин моллюсков является материал, промежуточный между минералами и твердыми образованиями у млекопитающих:

1) они состоят из кристаллов;

2) кристаллы эти - кальцит и арагонит;

3) белковые компоненты раковин - это белки, сходные с основой кожи, следовательно, они близки к кератину млекопитающих.

Итак, анализ изоморфизма показывает, что основные приводящие к нему процессы не полностью чужды один другому по своей природе и что подобие форм базируется либо на идентичности молекул, либо на определенном сходстве их свойств.

Размещено на Allbest.ru