Цепь рассуждений

История о том, как в природе все причудливо связано.

Пролог

«Скованные одной цепью» — не только строчка из культовой песни группы «Наутилус Помпилиус», написанная поэтом и переводчиком Ильей Кормильцевым на пороге своего дома в Свердловске (ныне Екатеринбург) в 1984 году. Это еще и принцип, по которому существует жизнь на планете Земля.

Одним из первых о нем заговорил арабский ученый Абу Усман Амр ибн Бахр аль-Кинани аль-Басри, он же аль-Джахиз. В своей «Книге о животных» он предложил идею пищевых цепочек, где от каждого предыдущего звена зависит благополучие последующего. Еще аль-Джахиз сформулировал концепцию ареалов обитания, инвазии биологических видов, а также описал и нарисовал 350 типов животных. И все эти революционные для IX века идеи были завуалированы в стихах и поговорках.

Спустя 1000 лет другой ученый, британец Чарльз Сазерленд Элтон, уже безо всяких литературных изысков преобразовал идеи аль-Джахиза в стройную современную научную теорию с подробными схемами, объясняющими принципы пищевых цепочек и целых сетей. Заодно он заложил основы экологических исследований такими, какими мы знаем их сейчас, а также объяснил, что такое флуктуация популяции и почему кролики в Австралии — это не только ценный мех и 3–4 кг диетического, легкоусвояемого мяса, но еще очень большая проблема для континента. За свои открытия сэр Элтон получил медали Линнея и Дарвина.

Мы собрали несколько примеров того, как изучение биологии изменило не только наше меню, но и все прочее, а также разные истории, которые помогут поддержать беседу за столом. Приятного чтения и аппетита!

§ 1. Царство животных

Со времен греческого ученого Аристотеля (с IV века до н.  э.) живые организмы было принято делить на животных и растения.

Никто особо с этой классификацией не спорил до шведа Карла Линнея, который в конце XVIII века затеял новые дискуссии о систематизации, продолжавшиеся еще 200 лет.

Наконец в 1960‑е годы было принято решение отделить грибы, которые словно бы занимают место между животными и растениями. Но споры на этом не закончились. Правда, сегодня ученые однозначно признают, что все царства связаны между собой пищевыми цепочками и животные в них весьма активны.

Царь зверей

Принято считать, что тот, кто находится выше в пищевой цепочке, по сути, и является царем зверей. Потому неудивительно, что во многих культурах это звание закрепилось за львом — одним из самых грозных хищников, обладающих ко всему прочему и слаженной социальной жизнью. Обычно к рассуждениям на эту тему добавляется, что при всем своем великолепии львы живут только в Африке, а люди — по всему свету, да и на самом жарком континенте деятельность человека привела к значительному сокращению опасных млекопитающих. А потому человек должен по праву занять высшее место. Но в науке все работает немного не так.

Место животного в пищевой цепи зависит от того, чем оно преимущественно питается. Это место называется трофическим уровнем. В теории уровней всего 5. Первый занимают существа, которые живут за счет солнечной энергии и фотосинтеза (растения, фитопланктон и т.  д.), последний — исключительно плотоядные суперхищники. На практике для каждого вида животных его трофический уровень рассчитывается по формуле, которая учитывает общий объем и процентное соотношение видов пищи. И всеядные существа, к которым относимся и мы, отнюдь не на высшем — пятом — уровне.

Наше место в трофической иерархии подсчитала группа французских ученых во главе с Сильвеном Бономмё в начале 2010‑х. Исследователи использовали открытые данные Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО) при ООН, которые описывают количество и разнообразие продуктов питания в 98 странах мира, и оказалось, что в разных странах трофический уровень человека может быть выше или ниже.

Так, например, в Бурунди, где рацион жителей на момент исследования состоял почти на 97% из растений, трофический уровень 2,04. А в Исландии, славящейся большим количеством мяса в меню, — 2,57. В среднем у человечества уровень 2,21 (между анчоусами и свиньями), причем за последние 50 лет он повысился на 0,03 единицы. По словам Бономмё, «мы ближе к травоядным, чем к хищникам. Это меняет наше предвзятое отношение к человеку как к верхушке пищевой цепи».

Комплексный обед

Всеядность, которая делает наш трофический уровень достаточно низким, роднит людей с ленивцами, белками, курами, воронами и муравьями. Хотя первым официально признанным всеядным животным был медведь, о чем писал уже упомянутый нами Аристотель.

В целом всеядность — отличный эволюционный механизм, который значительно увеличивает шансы вида на благополучное существование. При всей разнице анатомического строения омниворов (всеядных, от лат. omnivore — «есть все») их объединяет то, что пищеварительная система обладает большим разнообразием ферментов, рассчитанных на самые разные виды пищи.

Ферменты — это белковые соединения, которые ускоряют химические процессы в 1010–1015 раз. И они имеют избирательное действие. Например, амилаза — фермент, который присутствует в слюне человека, — ответственна за расщепление крахмала, а липаза, фермент в составе желудочной кислоты, — за распад жиров.

Несмотря на то что ферментация как процесс известна тысячи лет (приготовление сыров на Западе и кимчи на Востоке — наглядный тому пример), сами ферменты обнаружили только в XIX веке. Их открыл русский химик Константин Кирхгоф в 1814 году, проводя опыты с катализаторами органических веществ. Он исследовал превращение крахмала в глюкозу и обнаружил фермент, который был описан подробнее французским ученым Ансельмом Пайеном в 1833 году и впоследствии получил название «амилаза».

Как выяснилось позже, амилаза (и другие ферменты, свойственные животным) есть у растений, грибов и бактерий.

Основные ферменты в организме человека и их действие

К нашему времени описано более 5000 разных ферментов. Их используют в производстве продуктов питания, лекарств, а также в генной инженерии.

Приспособления, вдохновленные животными

Китайский след

Чиновник Цай Лунь был не столько изобретателем, сколько отличным компилятором, который соединил прежние наработки по производству бумаги с наблюдениями за поведением ос, строящих ульи. Гравер XVII века Сун Инсин запечатлел процесс появления бумаги по усовершенствованной технологии Цай Луня в серии гравюр.

§ 2. Царство растений

Согласно современному определению, растения — это многоклеточные организмы, способные к фотосинтезу. Аристотель, который впервые выделил растения в отдельную группу, к их характеристикам добавлял также неспособность двигаться со своего места. Хотя он отмечал, что когда речь заходит о морских растениях, то весьма трудно определить, не являются ли они на поверку все‑таки животными.

Сомнения насчет того, что именно причислять к растениям, есть и у современных ботаников. Взять, к примеру, те факты, что ряд растений вовсе не имеет хлорофилла и получает энергию не фотосинтезом, а хищничеством — поедая насекомых, птиц и мелких млекопитающих или высасывая соки из сородичей.

Божья роса

Хищные растения — это не экзотика из тропических лесов и далеких заокеанских стран. Они гораздо ближе к нам, чем кажется. К примеру, росянка распространена практически по всей России. В конце XIX века за ней закрепилось несколько названий, среди которых — «божья роса»: тогда из нее активно готовили снадобья от простуды и бородавок. Европейские алхимики использовали росянку для производства настойки-панацеи Aqua auri («золотая вода»), а итальянские виноделы — ликера, получившего название «Эликсир Медичи».

Ученых же росянка интересовала больше не с гастрономической точки зрения, а с ботанической. Пристальное изучение насекомоядных растений началось в XVIII веке: английский натуралист Джон Эллис в переписке с Карлом Линнеем предположил, что насекомые могут быть пищей растениям, а в 1782 году немецкий врач Альбрехт Вильгельм Рот описал волнообразное движение листьев росянки, утверждая, что именно так растения заманивали насекомых в свою липкую ловушку. Чем и подтвердил идею Эллиса.

Британец Чарлз Дарвин, работая над своей теорией эволюции видов, начал изучать росянку летом 1860 года и настолько увлекся, что позднее в переписке с коллегами признавался: «В настоящее время Drosera (росянка. — Прим. ред.) интересует меня больше, чем происхождение всех видов на свете». И его можно было понять: оказалось, что растение может двигаться, избирательно реагировать на раздражение и вырабатывать пищеварительный сок, схожий по свойствам с желудочным соком животных.

По множеству характеристик хищные растения показали себя как некое промежуточное звено между растениями и животными. Позже оказалось, что даже неплотоядные растения способны чувствовать разные типы раздражителей и передавать сигналы. Так, арабидопсис (резуховидка Таля, родня капусты. — Прим. ред.) посылает сигналы от листа к листу, усиливая выделение защитных химических субстанций, когда ее ест тля или гусеница, а клены передают информацию из одной части леса в другую, используя развернутую сеть грибного мицелия.

Микоризные сети

Симбиоз (от греч. συμ-βίωσις — «совместная жизнь») — общепризнанное и весьма распространенное явление. И мы сами тому яркий пример: пищеварительная система человека заселена бактериями-симбионтами, без которых немыслимо переваривание пищи. Но некоторые примеры оказались гораздо более удивительными при фокусном исследовании.

Факт сотрудничества грибов и растений хорошо известен: корни растений и мицелий грибов образуют микоризные сети. Через них растения получают ценные минералы, которые они сами не способны добыть, а грибы в ответ снабжаются сахарами. Однако на поверку эта простая схема оказалась полной интриг.

Нидерландский ученый Тоби Кирс поставил эксперимент, который позволил выявить, что у растений есть личная стратегия товарообмена: деревья одной и той же породы могут щедро делиться углеводами или утаивать их, привечать в качестве симбионта грибы одного вида или пользоваться благами разных. А еще через микоризные сети они могут избавляться от конкурентов, подавляя их рост.

При этом одомашненные деревья, которые получают подкормку от человека, менее настроены на то, чтобы образовывать симбиоз с грибами, и есть опасение, что в будущем эта способность у окультуренных видов растений будет утрачена.

Садовое товарищество

О генно-модифицированных растениях, вернее безопасности их присутствия в системе питания человека, спорят не одно десятилетие. И даже с тем, какие именно растения считать ГМО, нет окончательной ясности — слишком уж тесно генная инженерия переплетена с селекцией, мутагенезом и прочими методами выведения новых сортов.

Но с не меньшими проблемами ученые сталкивались и во времена зарождения самой генетики. Так, например, два громких имени из области ботаники, селекции и всего такого — чешско-австрийский биолог Грегор Иоганн Мендель и советский селекционер Иван Мичурин. Первый буквально стал основоположником учения о наследственности, проведя успешные опыты по гибридизации гороха, хотя при жизни признания своих открытий так и не получил. И даже сам в них разуверился, поскольку не смог повторить результат при скрещивании других биологических видов. Выведенные Менделем законы наследования подтвердились только в 1900 году — через 16 лет после его смерти — и стали мощным толчком в развитии генетики.

Мичурин же в своих ранних работах нелестно отзывался о менделизме, бурно выражая несогласие с его положениями: «О применимости же пресловутых гороховых законов Менделя к делу выводки новых гибридных сортов многолетних плодовых растений могут мечтать лишь полнейшие профаны этого дела».

Однако со временем тон высказываний сменился: в поздних публикациях ученый уже рассуждал о возможности применять эти законы в селекции и необходимости поправок и дополнений к ним. В итоге он вывел сотни новых сортов плодово-ягодных культур, а также табака и роз. Так что, вероятно, и генной инженерии просто нужно чуть больше времени, чтобы расставить все точки над i.

Приспособления, вдохновленные растениями

§ 3. Царство грибов

Первая классификация грибов относится к 150 году до н.  э. — тогда греческий поэт, мастер эпиграмм и по совместительству врач Никандр Колофонский разделил их на два вида:
— съедобные
— и несъедобные.

Кем был тот невоспетый герой, который на собственном опыте помогал Никандру с классификацией, осталось неизвестным.

Микология — наука о грибах, выделившаяся в самостоятельную дисциплину только в середине XX века, — вообще полна тайн, ведь она имеет дело с одним из самых неисследованных царств в биологии. По некоторым оценкам, на Земле существует от 100 тысяч до 3,8 миллиона видов грибов, и из них описано не более 8%. Так что этот мир, полный драматичных историй и тайн, еще только предстоит открывать.

Тихая охота

Сбор грибов принято называть тихой охотой. Это выражение связано с распространенным суеверием, что грибы могут прятаться от сборщиков, а потому их надо выслеживать. И едва ли кто задумывался о том, что и сами грибы — те еще охотники. Однако исследования микологов в начале XX века подтвердили, что грибы могут быть весьма опасны для других существ, и речь идет вовсе не об отравлении ими. Ученые обнаружили виды грибов, которые успешно охотятся на разных живых существ и, как многие хищники, имеют четкую специализацию.

Так, грибы рода кордицепс (описан в 1931 году) из лесов Амазонки охотятся на муравьев: они прикрепляются к телу насекомых, прорастают насквозь, превращают их в зомби и заставляют насекомых сбрасываться с деревьев на лесную подстилку, чтобы повторить путь уже с другой жертвой. В 2002 году ученые описали вид кордицепс, который специализируется исключительно на тарантулах, в 2015‑м — на цикадах.

А грибы рода зоофагус (открыт в 1911 году) обзавелись наростами в виде рыболовных крючков и охотятся в воде на амеб и крошечных червей-коловраток. И делается все это очень тихо.

Самое быстрорастущее существо на Земле — гриб. Это веселка, которая способна увеличиваться на 5 мм в минуту, за что занесена в Книгу рекордов Гиннесса. Веселка — съедобный гриб, который в кулинарии используют на разных стадиях его зрелости.

Прочные связи

С животным царством грибы связывает не только способность охотиться. Они могут светиться благодаря люциферину, который также встречается у светлячков, глубоководных рыб, моллюсков и медуз, а еще у них есть хитин — тот самый, из которого сделаны экзоскелеты насекомых, ракообразных и пауков.

Кстати, хитин, который сейчас прочно ассоциируется с животными, был изначально обнаружен именно у грибов. Французский исследователь Анри Браконно, известный также как первооткрыватель пектина, столь ценного в кулинарии, в 1821 году проводил опыты с грибами и обнаружил, что часть их никак не растворяется в серной кислоте. Он назвал вещество фунгином, а спустя пару лет это же вещество нашли в крыльях и телах насекомых. Оно вошло в научный оборот под названием «хитин» (от др.-греч. χιτών — «хитон» — «одежда, кожа, оболочка»). Хитин, упрочняющий мякоть, — причина того, что грибы не очень хорошо усваиваются. Для его расщепления у нас есть фермент хитиназа, но его мало, потому употребляемые в пищу грибы требуют тщательной кулинарной обработки.

Грибы дышат кислородом, что сближает их с животными и отдаляет от растений. В целом считается, что они ответственны за потепление климата в той же мере, что и коровы. А еще именно грибы несут ответственность за дожди в зоне тропических лесов. Массово выпуская споры в воздух, они способствуют тому, что вокруг них конденсируются капли из воздуха и после проливаются на землю мощными струями дождя. Вполне возможно, что исследование хотя бы еще 8% грибов позволит дать ответ на вопрос о том, как прочно мы все связаны.

Приспособления, вдохновленные грибами

Эпилог

Исследования живой природы, начало которых, пожалуй, уходит во времена, когда наши предки пытались выяснить разницу между съедобными и несъедобными, опасными и дружелюбными видами, в наши дни выходят на иной уровень. Новые технологии позволяют ответить на давние вопросы, и все для того, чтобы поставить сотни других. Во всем этом многообразии нерешенного точно ясно одно: все виды на планете Земля связаны одной цепью. Прослеживать и отражать переплетение ее звеньев — особое искусство, о котором мы поговорим в следующем номере журнала.

Еда играет важную роль не только за обеденным столом. Режиссер Чарли Чаплин и художник Энди Уорхолл знали это и использовали в своем творчестве. Но это уже совсем другая история.

• Поделиться
  vk.com