Kitabı oxu: «Взламывая биологию»

Tom Jackson

PONDERABLES: BIOLOGY

Originally published in English.

Печатается с разрешения издательств Worth Press Ltd и Shelter Harbor Press.

В оформлении книги использованы иллюстрации Shutterstock, Alamy, iStock, NOAA, Science & Society Photo Library, Wikipedia, Wellcome Library (London) и др.

© Worth Press Ltd, Cambridge, England, 2017

© Shelter Harbor Press Ltd, New York, USA, 2017

© ООО «Издательство АСТ», 2019

Введение

Биология изучает живой мир, и задача эта не из легких. Живые существа – самые сложные объекты во Вселенной. В простой бактерии происходят тысячи взаимосвязанных химических реакций, поддерживающих жизнь клетки, а организм состоит из миллиардов клеток, и все они должны слаженно работать. Лес, рифы и вся планета – это огромное сообщество невероятно разнообразых форм жизни, которые живут под воздействием друг друга и умирают. Как во всем этом разобраться?

О словах и делах великих мыслителей сложены замечательные истории, а на этих страницах их целая сотня. Каждая рассказывает о серьезной и весомой задаче, которая привела к важному открытию и изменила наше понимание мира. Добыть знание не так уж просто: для этого приходится трудиться, добывать и рассматривать доказательства, делать собственные выводы о том, что верно, а что ложно.

Микроскопы открыли новый мир биологической активности.

Биология часто проверяет на прочность общепринятые нормы и ниспровергает их. В XVII в. Уильям Гарвей показал, как работают сердце и система кровообращения, исследовав умерших людей (и умирающих животных), что для ранних исследователей было запретной практикой.

Процесс обучения

С точки зрения современности даже самые блестящие теории иногда кажутся совершенно неправильными, но наука тех лет не могла предложить ничего лучше. Наша цивилизация строится на знании – о растениях, животных и всем, что есть вокруг нас, – и со временем наше знание конвертируется в более ясную картину реальности.

Понимание живого мира – то есть того, чем все формы жизни похожи и чем они могут отличаться, – это лучший способ понять самих себя, как мы вписываемся в этот мир и как можем изменить, улучшить и, прежде всего, защитить его.

Жизнь в природе

Когда человек заинтересовался природой? Такая постановка вопроса предполагает, что люди не вполне ее часть, а нечто обособленное. Конечно, при взгляде на страницы этой книги, текст и рисунки, становится ясно, что мы способны на то, чего не умеют остальные живые существа. Но мы вышли из природы, как и цветы, рыбы и грибы. И в начале наших дней другие формы жизни, вероятно, были для нас либо пищей, либо угрозой. Около 15 000 лет назад что-то изменилось. Люди начали разделять свою среду обитания с другими организмами. Сначала появились собаки, или прирученные волки, которые жили среди людей и помогали защищаться и охотиться – а возможно, и дружили с человеком. Проходили тысячелетия, люди учились разводить животных для пропитания и помощи в труде, выращивали культурные растения, и только когда природа превратилась в полезный инструмент, наши предки начали задавать более глубокие вопросы о том, как она устроена и какое огромное разнообразие таит.

Яркий окрас крошечной лягушки из Центральной Америки предупреждает хищников: не трогать, кожа ядовита!

Гены организмов легко сравнить с помощью методик профилирования, которые, по мнению некоторых, также указывают на родство. Согласны не все.

Цели биологии

Сначала биология растений была частью медицины: врачи учились использовать травы, кору и сок разных растений в качестве лекарств (с переменным результатом). Биология животных, вероятно, началась с охоты. Правители искали новых, более крупных и яростных противников, на ком можно было бы опробовать свои навыки убивать. В итоге известных организмов становилось все больше, и люди начали отмечать отношения и связи между ними. При последнем подсчете биологи описали 1,3 млн видов, и, по их оценкам, не имеют названия еще 7 млн.

Фермеры, со своей стороны, обнаружили, что характерные особенности организмов можно менять, контролируя, какие особи скрещиваются. Понимание процессов наследования революционным образом изменило наше понимание жизни, создав сферы генетики и эволюционной биологии. Однако среди огромного разнообразия организмов современные биологи ищут не только общие закономерности, управляющие живыми существами, но и особенности. В последние годы знания из области биологии легли в основу технологий. Что это означает для жизни, как мы ее знаем, в будущем?

Вирус – это ДНК в белковой оболочке. Он живой? Биологи не могут договориться.

Зверинец

Изначально другие живые существа интересовали человека только по причине своей съедобности. Мы выращиваем культурные растения и держим скот около 13 000 лет. Но впервые нас изумили красота и разнообразие мира животных, когда мы оказались в зверинце.

Зверинец – это частная коллекция животных, выставленная на обозрение публике ради потехи и для поддержания высокого статуса его владельца. Наибольшую популярность зверинцы приобрели в XVIII в., когда европейские аристократы, соревнуясь друг с другом, демонстрировали самые необычные создания, какие только могли найти. Так появился прообраз первых зоологических парков, или зоосадов. Однако история зверинцев началась гораздо раньше.

Город зверей

Старейший известный зверинец обнаружили относительно недавно. В 2009 г. археологи нашли в Нехене, древнем городе на берегах Нила в Центральном Египте, более сотни скелетов животных. Останки были бережно захоронены, как если бы это были останки людей, и ученые выдвинули предположение, что обнаружили царский зверинец.

На этом древнеегипетском изображении нильский крокодил готовится напасть на рожающую самку гиппопотама.

ВОРОТА БОГИНИ ИШТАР

Навуходоносор II, царь Вавилона, знаменит тем, что приказал высадить висячие сады Семирамиды. Также он известен как великий воитель, «покоритель народов». Пышные висячие сады, по легендам, росли на склоне рукотворной горы, должны были порадовать жену царя, персианку, которой не нравилось жить в сухой пустыне. Новшеством в городе времен Навуходоносора также были ворота богини Иштар – вход во внутренний город для вавилонской знати. Ворота покрыты изображениями живых существ, в частности львов и цветов. Самыми примечательными из них считают изображения дракона-сирруша – воплощения бога Мардука, покровителя Вавилона (и любимого бога царя), и быка – дикого предка домашнего скота, воплощения Адада, бога дождя, которого следовало умилостивить, чтобы отогнать голод.

Во II в. до н. э. Ганнибал, полководец из Карфагена в Северной Африке, использовал мощь слонов для завоевания Италии, принадлежавшей Древнему Риму.

На момент, когда производились эти захоронения, то есть около 3500 г. до н. э., Нехен был крупнейшим городом Египта и столицей Верхнего Египта (располагался южнее Нижнего). Древние греки называли его Гиераконполис, или «Город сокола», – в честь бога Гора с соколиной головой. Зверинец с гиппопотамами, бабуинами, слонами и дикими кошками был символом божественной власти правителя (кто это был, неизвестно). После его смерти животных принесли в жертву, закутали в тонкие ткани и разместили на ложах из тростника.

Царские коллекции

Позднее правители держали зверинцы из вполне мирских соображений, например для охоты. Императрица Танки, правившая Китаем в XII в. до н. э., построила мраморный «дом оленей» – первый известный зоопарк в этой стране. В IV в. до н. э. Александр Македонский, когда его армии завоевывали необъятные просторы Азии, отправлял необычных животных в Грецию. Ребенком Александр учился у Аристотеля, одного из величайших мыслителей в истории. Аристотель знаменит своими идеями в области логики, физики и этики. Куда меньше его знают как основателя новой науки – биологии.

АШШУР-БЕЛ-КАЛА

Ашшур-бел-кала, в XI в. до н. э. царь Ассирии (на территории современных Ирака и Сирии), часто получал подарки от влиятельных египетских соседей. Царю дарили множество экзотических животных, собранных в глубинах Африки, в их числе большая обезьяна (вероятно, горилла), крокодил и «речной человек» (возможно, дюгонь, или морская корова), а также другие «звери Великого моря». Царь огородил для своих зверей пространство рядом с дворцом в Ашшуре и отправил по всему миру посланников в поисках новых существ – и чтобы похвастаться, и для оттачивания своих охотничьих навыков.

Животные Аристотеля

Основоположником науки о живом, как правило, считают Аристотеля. Его работы объединили и упорядочили знания по биологии и на протяжении веков оставались авторитетным проводником по миру животных.

Аристотель был сыном придворного врача царской семьи Македонии. Как и его отец, он выучился медицине, затем отправился в Афины изучать философию у Платона. И именно как великий мыслитель он вошел в историю. Аристотель много путешествовал и вел детальные наблюдения за живыми созданиями, особенно водными, – возможность изучать их он получил, когда жил на острове Лесбос, близ большой лагуны. Он искал закономерности во всем разнообразии жизни и попытался объяснить их в шести книгах. До него о мире природы высказывались и другие мыслители, но Аристотель первым объединил теорию с исследованиями и экспериментами. Биология Аристотеля далеко не безупречна. Например, он полагал, что задача мозга – охлаждение тела, а мыслительный процесс происходит в сердце. Он также верил в самозарождение жизни – в то, что жизнь может появиться в неживом материале.

Уже пожилым человеком Аристотель вернулся в Македонию и учил сына царя, Александра (которому предстояло стать Великим). Философ внушил своему ученику восхищение перед животными и природой – а возможно, и завоеваниями!

КСЕНОФАН

В конце VI – начале V в. до н. э. философ и поэт Ксенофан посещал различные уголки Греции. Судя по всему, он дожил до глубокой старости по меркам того времени – по его собственным воспоминаниям, он с 25-летнего возраста и в течение следующих 67 лет «мысль по Элладе носил».

Ксенофан верил, что мир появился из воды и земли. Он первым сформулировал теорию истории Земли, основываясь на своих находках. Окаменевшие останки морских существ, обнаруженные на суше далеко от моря, привели его к заключению, что всемирные наводнения чередовались со всемирными засухами.

Группы животных

Аристотель понял, как можно систематизировать растения и животных в соответствии с их физиологическими особенностями и поведением. Он разделил животных на две группы – кровяных и бескровных (то есть тех, у кого нет крови красного цвета). Такое разграничение приблизительно соответствует современному делению животных на позвоночных (высший тип хордовых) и беспозвоночных (моллюски, черви, губки и прочие). Аристотель объединил животных с похожими характеристиками в роды, и эта категория все еще используется современными биологами, хотя и не в таком широком смысле, как у древнегреческого мыслителя.

По Аристотелю родов кровяных животных пять: живородящие четвероногие с волосами (млекопитающие); яйцеродящие четвероногие или безногие со щитками на коже (рептилии и амфибии); яйцеродящие двуногие, летающие, с перьями (птицы); живородящие безногие, водные, с легкими (китообразные); яйцеродящие или живородящие, безногие, водные, с жабрами (рыбы).

Аристотель не знал о носорогах, но его ученик Александр Македонский прислал домой экземпляры из Индии. Предполагается, что легенда о единороге, по крайней мере отчасти, возникла при знакомстве с этим зверем.

Бескровных животных он разделил на мягкотелых (головоногих), таких как осьминог и каракатица; мягкоскорлупных (ракообразных); черепокожих (моллюсков, кроме головоногих); насекомых, куда он включил пауков и других ползающих (многие сегодня насекомыми не считаются). Последнюю группу составляли зоофиты, или «растения-животные». Сюда входили стрекающие и анемоны, которые, по мысли Аристотеля, имели схожие черты и с растениями, и с животными. К слову, структура челюсти морского ежа называется «Аристотелев фонарь» благодаря тонкому наблюдению философа.

Порядок вещей

Зоофиты Аристотеля завораживали. Казалось, они занимают неоднозначную позицию в схеме. Философ пришел к пониманию природы как континуума, линии, соединяющей безжизненные камни со все более сложными растениями и животными – и в конце концов человеческой расой. Именно это ви́дение в последующие века легло в основу Великой цепи бытия – грубой иерархии жизни.

Вероятно, единственное сохранившееся в биологии наследие Аристотеля – прижившееся убеждение в том, что маленькие организмы примитивны и позже естественным образом развиваются в более крупные и совершенные. Мысль о том, что живые существа (включая нас) развиваются в определенном направлении к конечной цели, принадлежала Аристотелю, и она все еще является основополагающей в западной культуре, но не имеет отношения к биологии.

ВЕЛИКАЯ ЦЕПЬ БЫТИЯ

Великая цепь бытия лежала в основе западной философии со времен Аристотеля и приблизительно до 1800 г. Она строилась на трех принципах: во Вселенной существуют все виды жизни, какие можно представить; каждый вид почти неощутимо отличается от своих ближайших сородичей, поэтому все формы жизни постепенно переходят из одного в другой; все виды занимают свое место в Великой цепи, или лестнице, бытия, которая идет вверх от низшей формы жизни до Бога.

Растения Теофраста

Биология Аристотеля главным образом описывала животных, а основателем ботаники, или науки о растениях, стал его ученик, Теофраст.

Теофраст родился на греческом острове Лесбос около 372 г. до н. э. Он учился в Афинах у Платона, затем у Аристотеля, а после смерти учителя возглавил афинскую школу Аристотеля – Ликей. В многотомном труде «Естественная история растений» Теофраст задался целью классифицировать растения по типам – классификации животных ранее создал Аристотель. Теофраст выделял деревья, кустарники, многолетники и травы. Заключительная, девятая книга «Истории» рассматривает лечебные свойства растений и прочие способы их применения. Работа Теофраста оказала огромное влияние на более поздних исследователей лекарственных трав.

Теофраст начал великое дело: он стал придумывать универсальные имена для растений, которые в разных областях Древней Греции называли по-разному.

КИТАЙСКОЕ ТРАВОЛЕЧЕНИЕ

Традиции использовать растения в медицине не одна тысяча лет. Древнейшие китайские рукописи по траволечению датируются примерно 3000 г. до н. э. А практиковалось лечение травами, вероятно, гораздо раньше. Мифический император Шэнь-нун («божественный земледелец»), родившийся, по легендам, в XXVIII в. до н. э., пользуется славой первого травника. Его знания о лекарственных и ядовитых растениях, как считается, легли в основу китайского траволечения. Одно из открытий, которое приписывают Шэнь-нуну, – чай. Император утверждал, что чай является противоядием от 70 видов ядов!

В другой работе, «О причинах растений», Теофраст коснулся их физиологии и рассмотрел различные способы их выращивания. Он описал взаимоотношения между растениями и средой, а также механизмы приспособления к различным условиям, связанным с влажностью, температурой и типом почвы. Ученый пояснял, что растениям нужно «благоприятное место» для процветания. Теофраст умер в возрасте 85 лет. Он просил похоронить его в своем саду и оставил иструкции, как ухаживать за садом после его смерти.

Панспермия

На вопрос, как зародилась жизнь на Земле, до сих пор нет ответа. Одна из гипотез, которые рассматривают всерьез, называется панспермией. Согласно ей, жизнь была занесена на Землю из космоса.

Первым гипотезу панспермии (что в переводе с греческого означает «смесь всяких семян») выдвинул древнегреческий философ Анаксагор, живший в V в. до н. э. и утверждавший, что семена жизни присутствуют всюду во Вселенной. Растения и животные произошли в результате панспермии: они прибыли на Землю на «метеорах» – так называли любой неизвестный источник света на небе. Большинство метеоров древности, вероятно, сегодня назвали бы «падающими звездами». Как мы знаем, это частички пыли, а иногда и более крупные тела, которые проникают в атмосферу Земли. Но в Древней Греции метеорами называли и другие атмосферные явления, и поэтому метеорология – наука об изучении погоды, а не метеоров.

Анаксагор предположил, что жизнь появилась из космоса. Кроме того, он считал, что мир плоский и покоится на воздушной подушке, а когда поднимается ветер, происходят землетрясения.

Пересмотр концепции

Очевидно, что теория панспермии очень стара, и с течением времени она то приобретала, то вновь теряла популярность. Более научно к ней подошли в XIX в. шведские химики Йёнс Якоб Берцелиус и Сванте Аррениус и шотландский физик Уильям Томсон. В 1970-х гг. космологи Фред Хойл и Чандра Викрамасингхе вновь встали на защиту панспермии и предположили даже, что внеземные формы жизни продолжают проникать в атмосферу Земли и вызывают эпидемии заболеваний.

В 2009 г. выдающийся физик Стивен Хокинг поддержал теорию, заявив, что жизнь может проникать на планеты с других планет на метеорах.

Идея о том, что жизнь пришла из космоса, не так уж утопична: бактерии, питающиеся неорганическими веществами, могли сохраниться внутри метеора. Но в таком случае возникает вопрос: где и как зародилась жизнь? Панспермия отсылает к неизвестной и очень далекой части Вселенной, но не дает точного и прямого ответа на этот извечный вопрос.

Анаксагор говорил, что Солнце и звезды – горящие камни, которые находятся на большом расстоянии от Земли. В качестве доказательства он привел метеоритные дожди, когда видны группы падающих звезд.

Преформизм

Преформизм на протяжении многих веков оставался главной теорией о развитии растений и животных. Согласно ей, организм на момент его зарождения – миниатюрная, но полностью сформировавшаяся копия его взрослой формы.

Наиболее раннее исследование эмбрионов приписывают Гиппократу и датируют его III в. до н. э. Врач был убежден, что эмбрион развивается, получая влагу и воздух от матери. Гиппократ также одним из первых выдвинул идею преформизма, предположив, что внутри крошечного свертка, или яйца, находятся полностью сформированные организмы в миниатюре. Соперничающая теория, эпигенез, была предложена Аристотелем, чьи наблюдения за развитием эмбрионов цыплят показали, что в своем развитии организм проходит несколько стадий. Ученый утверждал, что каждая часть тела родителя передается в зачатке эмбриону, а затем эти частички собираются в новое тело.

Гиппократ писал об эмбриологии в своих трудах по акушерству и гинекологии.

Возрождение преформизма

В XV в. голландский биолог Ян Сваммердам возродил преформизм, проведя наблюдения за укутанными в кокон бабочками. Согласно Сваммердаму, взрослые бабочки формируются внутри гусениц. Ученый считал, что внутри насекомого на разных стадиях развития, которые он наблюдал, прячутся и будущие, и предыдущие стадии, от яйца до личинки, куколки и взрослой особи.

ПИФАГОРЕЙЦЫ

Древнегреческий ученый Пифагор, живший около 350 г. до н. э., выдвинул одну из первых теорий, объяснявших схожесть потомства с родителями. Он считал, что семя проходит по телу человека, собирая по пути все его черты, такие как цвет глаз и кожи, строение мышц. Семя – своего рода воплощение самого человека. Пифагор основывал свое ви́дение мира на геометрии и поэтому описал развитие потомка как сочетание «природы», предоставленной отцом, и питания, данного матерью, которые становятся двумя сторонами треугольника, определяя длину третьей стороны – ребенка.

К началу 1700-х гг. преформизм укрепил свои позиции в качестве теории развития эмбриона: в частности, микробиолог Антони ван Левенгук утверждал, что различил внутри половых клеток миниатюрного человека, названного им гомункулом. Ученые поделились на тех, кто верил, что гомункулы находятся в яйцеклетке (овисты), и тех, кто полагал, что они находятся в сперме (спермисты).

Точные наблюдения за развитием эмбриона провели только в XIX в., когда были созданы более совершенные микроскопы. В итоге от преформизма отказались с появлением клеточной теории, а впоследствии новой науки – генетики.

Алхимик пытается раскрыть секрет жизни: он надеется создать ребенка, химически воздействуя на гомункула в лаборатории.

«Естественная история»

Хотя 37-томный труд римского энциклопедиста Плиния Старшего – это любопытное смешение фактов, сплетен и домыслов, «Естественная история» стала первой в мире научной энциклопедией и в течение нескольких веков являлась главным источником информации о животных Европы.

Древнеримский ученый Гай Плиний Секунд, известный, как Плиний Старший (ок. 23–79 гг. н. э.), родился неподалеку от современного города Комо в Италии. Он получил литературное и юридическое образование, а затем сделал военную карьеру, дослужившись до звания командующего кавалерией.

Плиний служил при трех императорах, в правление Нерона был адвокатом, при Веспасиане и Тите – прокуратором. Каким-то образом он все же нашел время сочинить 75 книг, самая знаменитая из которых и единственная сохранившаяся – «Естественная история».

СМЕРТЬ ПЛИНИЯ

Одно из самых подробных из имеющихся описаний извержения Везувия и гибели города Помпеи оставил племянник Плиния, известный как Плиний Младший. По его рассказам, катастрофа застала всех врасплох. Его дядя в тот момент командовал флотом этого региона. Судя по всему, он взял небольшое судно у берега недалеко от Геркуланума, чтобы понаблюдать, что происходит, и задохнулся в облаке пепла.

Плиний в предисловии к своему труду заявляет, что в нем содержится 20 000 фактов. Почти столько же, сколько в этой книге!

Информация истинная и ложная

В 37 томах «Естественной истории» Плиний исследовал многообразие тем: биологию растений и животных, физиологию человека и антропологию, географию и астрономию. Невзирая на то, что многие из его предположений и утверждений позже оказались неверными, книга остается ценным описанием истории и культуры Древнего Рима I в. н. э.

Зоология была затронута в книгах с VII по XI, а ботаника – с XII по XVII. Плиний подробно описал образ жизни и повадки гиппопотама, в частности утверждал, что когда животное становится слишком толстым, оно добровольно натыкается на острую палку, выпускает из себя нужное количество крови и выздоравливает. В работе также содержатся детальные описания единорогов и других мифических созданий. Например, объясняется, что василиск, чудовищный змей, убивает взглядом. Плиний считал мифы правдивыми рассказами и просто пришел к выводу, что свирепые и предположительно волшебные животные встречаются очень редко, или же их сложно поймать.

Животворная сила

Шесть книг эпической поэмы «О природе вещей» (De Rerum Natura) объясняют, ни больше ни меньше, природу, устройство и судьбу Вселенной, происхождение и эволюцию живого.

О Тите Лукреции Каре, авторе поэмы, мы знаем очень немного, только что он жил около I в. до н. э. и следовал учениям философа Эпикура (утверждавшего, что секрет хорошей жизни – в поисках наслаждений).

По книге «О природе вещей» мы можем судить, что Лукреций серьезно занимался философией и наукой, был увлечен наблюдениями за окружающим миром, хорошо разбирался в сельскохозяйственных культурах и садоводстве, а также в рельефе и смене времен года.

Вера Лукреция в ествественные науки очевидна. В своей книге он постоянно отвергает сверхъестественные объяснения природных явлений. Мир, согласно Лукрецию, был создан не божественным образом, а в результате совершенно естественных, произвольно текущих процессов. Но он также писал, что движение жизни контролирует богиня Венера. Это идет вразрез с другими его натуралистическими идеями о живых существах. Но все же концепция животворных сил приобрела поддержку среди более поздних мыслителей, особенно врачей. Жизнь, как говорили, обусловлена наличием пневмы, сверхъестественной животворной силы. Это слово можно перевести как «дыхание», но оно также означало «дух». Пневма отличает живое от неживого, и в течение последующих 1800 лет считалось, что жизненные процессы, текущие благодаря пневме, выходят за рамки массы прочих природных явлений.

Экземпляр «О природе вещей» 1483 г., созданный для папы Сикста IV.

ГАЛЕН

Клавдий Гален (130–210) родился в городе Пергамоне, на территории современной Турции. Он изучал медицину и стал главным врачом в школе гладиаторов, где приобрел опыт в обработке ранений. В начале 160-х гг. он перебрался в Рим, лечил императора Марка Аврелия и его преемников, императоров Коммода (отрицательный персонаж в фильме «Гладиатор») и Септимия Севера. Гален первым начал применять в медицине эксперименты и пытался расширить диапазон знаний, вскрывая животных (вскрытие людей запрещалось законом). По убеждению Галена, пневма, или дыхание жизни, входит в тело через легкие и затем распространяется по крови.

Травники

Многочисленные растения использовались в медицине, не говоря уже об их применении в кулинарии, поэтому неудивительно, что большинство ранних работ о них – это травники, или руководства по определению растений с полезными свойствами.

Диоскорид, врач древнеримской армии, в I в. н. э. описал почти 600 растений в труде «О лекарственных веществах» (Materia Medica). На протяжении 1500 лет он был основным справочником: только перечисленные в нем растения считались по-настоящему ценными. В Средневековье растения изучали мало, люди были склонны полагаться на более ранние работы таких ученых, как Теофраст и Диоскорид. Самым известным натуралистом того периода был Альберт Великий, работавший в XII в. Современники звали его Doctor universalis (Доктор всеобъемлющий) из-за широкой сферы его интересов. Книга Альберта Великого «О растениях» (De Vegetabilis) описывала его личные наблюдения о разнообразии растений и их применении. Ученый стал первым известным нам человеком, выделившим ряд признаков растений. Например, он различал однодольные растения (травы) и двудольные (бобовые), основываясь на структуре стебля. Изобретение печатного станка в середине XV в. привело к волне публикаций книг о растениях. Травники стали все меньше и меньше полагаться на традиционные учения и все больше – на наблюдения растений самих по себе, не как материала для лекарств.

Анатомический рисунок из английского травника XIII в. показывает форму листа и цветка.

«Китаб-и хашиш» («Книга трав») – это арабский перевод XI в. книги «О лекарственных веществах».

Бестиарий

В Средневековье бытовало поверье, особенно в христианской Европе, что природа завещана нам Богом и служит источником инструкций о том, как следует жить людям. Это проповедовали бестиарии – сборники нравоучительных зоологических историй.

Первый известный нам текст бестиария, отражавший подобные учения, – «Физиолог», написанный по-гречески в Александрии около II или III в. н. э. неизвестным автором. Этот свод знаний о животных, явно основанный на христианской традиции, сначала описывает тот или иной аспект поведения животного, а затем объясняет читателю, как следует его интерпретировать с точки зрения христианских верований и практик через наблюдение за миром природы. «Физиолог» был невероятно популярен и переведен на большинство распространенных языков Европы и Передней Азии. Это основной источник средневековых бестиариев.

Единственный способ поймать единорога – приманить его парочкой прекрасных дев.

Виверна, двуногий дракон, знакомится с изумленным слоном.

Как видно, иллюстрации льва, волка и коровы не были анатомически верными.

«Этимологии»

Около VII в. Исидор Сивильский написал энциклопедию «Этимологии», в которой попытался изложить весь имеющийся на тот момент – огромный – спектр знаний, в том числе из области военной науки, астрономии, теологии, земледелия и зоологии. В «Этимологиях» мало что добавлено им самим, многое взято из книг более ранних авторов, таких как Аристотель и Плиний Старший. Как следует из названия книги, Исидор постарался соединить названия предметов (этимологию) с их природой и характерными чертами. Некоторые связи оказались скорее вымышленными, а не научными, например предположение о том, что садовые сони называются по-латыни glis, так как прежде чем впасть в спячку зимой, они толстеют – «пухнут» (лат. gliscere).

Рождение бестиария

Разновидность книги, известная как бестиарий, появилась, когда тексты, подобные «Этимологиям», объединили с «Физиологом». Исидор просто записал то, что почерпнул у более ранних писателей о повадках животных, реальных и выдуманных, но без каких-либо дополнительных нравоучений. Составители бестиариев цитировали Исидора и добавляли подходящий урок, который надлежало усвоить.

Драконы постоянно встречались в народных сказках, часто как олицетворение дурных желаний людей.

Белые птицы, как говорили, лечат больных – забирают с собой болезнь и улетают.

Считалось, что василиски убивают зловонным дыханием.

Сатиры, проказливые духи из древнегреческих мифов, стали прообразом дьявола, каким его принято изображать в Европе.

Бестиарий, или книга зверей, имел много общего с «Физиологом». В нем сохранялся традиционный подход к природе как к инструменту обучения, но был сделан шаг и к описанию разнообразия живого мира самого по себе.

Рукописи бестиариев обычно сопровождались иллюстрациями, хотя эти средневековые изображения животных зачастую далеки от реальности: крайне маловероятно, что художники имели возможность непосредственно познакомиться с существами, которых рисовали. Они полагались на рассказы путешественников и слухи. Например, крокодилы в средневековых бестиариях часто похожи на собак. Иллюстрации в действительности должны были служить «языком визуального общения» для в основном неграмотного населения. Многие из рассказов были уже хорошо известны, а изображение описываемого существа просто напоминало о них.

ЧЕТЫРЕ СУЩЕСТВА

Парацельс, родившийся в Швейцарии в 1493 г., был наиболее влиятельным мыслителем своего времени. Он считал, что мир состоит из четырех элементов: земли, воды, огня и воздуха. Он также предположил, что каждому элементу соответствуют существа, равные людям, но отличные от них, которые время от времени забредают в наш мир. Гномы живут под землей и иногда нападают на горняков. Нимфы обитают в воде и появляются обнаженными на берегу. Саламандры – это гибкие люди огня, они живут в вулканах, но не обжигаются. Наконец, сильфы – великаны, плавающие в воздухе между лесными деревьями. Когда они спускаются, земля вздрагивает, и происходят землетрясения.

Мифические создания

Кроме нереалистично описанных настоящих животных, бестиарии населяли существа, которые не имели к реальности никакого отношения. Единорог, грифон и василиск изображались рядом со страусом (которому пририсовывали копыта) и китом (большой, покрытой чешуей рыбой). Мы не знаем, действительно ли люди того времени верили в существование подобных созданий, хотя, конечно, этого нельзя исключать. Сомневающиеся же, вероятно, не верили и в гиппопотама.

К XIII и XIV вв. появились энциклопедии, которые, хотя и содержали материалы из бестиариев, были снабжены аллегориями.

Благодаря влиянию таких людей, как Альберт Великий и святой Франциск Ассизский, интерес к изучению природы возрастал. Кроме того, путешественники, например Марко Поло, посещали места, где предположительно водятся экзотические создания, и не находили их. С началом эпохи Возрождения европейцы вернулись к более научному подходу к природе и стали искать факты, а не тешить себя фантазиями.

Самозарождение

В древности люди верили, что живые существа возникают из неживого материала. Самозарождение, как считалось, происходит в основном в «угасающей» материи: так личинки появляются в гниющей пище.

Аристотель объяснял самозарождение «жизненным жаром», который присутствует во всем. Эта теория, как и многие другие его идеи, получила широкую поддержку и считалась достоверной следующие 2000 лет. Средневековая церковь поправила понятие жизненного жара Аристотеля, заявив, что за самозарождение ответственны ангелы, которые действуют посредством солнечного света.

Ян Баптист ван Гельмонт (1580–1644), талантливый химик, одним из первых выделил газы из воздуха. Он был убежден, что природу лучше всего познавать через эксперимент. Однако он же опубликовал рецепт получения мышей! Нужно поместить ветошь и несколько семян пшеницы в открытый горшок и подождать 21 день. По истечении этого срока появятся мыши. Там будут, убеждал ван Гельмонт своих читателей, взрослые самки и самцы, способные размножаться и производить еще больше мышей. Идея о самозарождении была на удивление стойкой; даже такие выдающиеся мыслители, как Рене Декарт и Исаак Ньютон, придерживались этой теории. В 1688 г. итальянский натуралист Франческо Реди показал, что личинки выходят из яиц. Если мух держать подальше от мяса, личинки не появятся. Ничего самопроизвольного.

Ян Баптист ван Гельмонт был основоположником пневматической химии. Он показал, что при горении дерева выделяется отравляющий газ, который он назвал «лесным хаосом». Сегодня он известен как углекислый газ.

Хотите познакомиться с предками? Сторонники самозарождения считали, что простые животные появляются из гниющей материи, а затем постепенно развиваются в более сложные организмы, подобные вам.

ГУСИ И МОРСКИЕ УТОЧКИ

В эпоху Средневековья людей поражал один из видов гусей. Птицы появлялись ранней зимой в Ирландии и Шотландии. Но где они гнездились? Цвет оперения гусей был похож на окрас морских уточек – ракообразных, водившихся у побережья. Наверное в этом все дело: у гусей нет гнезд – они произошли от морских уточек. Это была странная точка зрения – Альберт Великий отмахнулся от нее как от «совершенного абсурда», – но убеждение ходило достаточно долго, и странные названия закрепились за обоими видами. Если вам интересно, гуси-казарки мигрируют весной, а гнезда вьют в Арктике.

Семейное торжество. Гуси и раки – сородичи?

Поиск гомологов

О гомологии сначала заговорили математики, и в рамках этой науки термин обозначал эквивалентность между рядами чисел. Использование его в биологии для описания схожих признаков у живых созданий началось с работы Пьера Белона. Гомологичные черты у животных означают, что виды разделяют общее прошлое.

Пьер Белон (1517–1564) одним из первых натуралистов сравнил анатомию разных форм жизни. Ученый родился в Ле-Мане во Франции и изучал медицину в Париже. Белон, одна из значимых фигур в деле возобновления естественноисторических исследований в XVI в., главным образом известен благодаря своему труду «Естественная история птиц» (L’Histoire de la Nature des Oyseaux). Книга опубликована в 1555 г., описывает 200 видов и указывает на схожесть форм и функций скелетов птиц и людей. Таким образом, труд стал первым шагом к созданию сравнительной анатомии. Белон выдвинул идею, что разные животные и растения развиваются по-разному, используя одни и те же анатомические структуры. Позднее биологи, такие как Чарлз Дарвин, предположили, что организмы, у которых в анатомическом строении имеется множество схожих элементов, близко связаны.

В начале XIX в. Жорж Кювье высказал мысль, что набор гомологичных структур, наблюдаемый у родственных животных, имеет причиной их взаимодействия с окружающей средой. Этьен Жоффруа Сент-Илер выступил с альтернативной точкой зрения: все тела животных видоизменяются в соответствии с единым общим планом. Предваряя теорию эволюции Дарвина, британский анатом Ричард Оуэн предположил в 1849 г., что гомологичные особенности скелета свидетельствуют о том, что четвероногие наземные животные произошли от рыб.

Пьер Белон обнаружил, что скелеты людей и скелеты птиц состоят из одного набора костей, который модифицируется для обеспечения разных функций.

Зоология

«История животных» (Historia Animalium) Конрада Геснера, опубликованная в 1558 г., стала первой попыткой собрать всю информацию, известную тогда о животном мире. Это важный труд, обозначивший очертания современной зоологии.

Геснер родился в Цюрихе в Швейцарии. В 1541 г. он получил степень доктора медицины и до конца жизни практиковал в родном городе. Свободное время он посвящал своему хобби – наблюдал за дикой природой и исследовал анатомию животных. Опираясь на классификацию видов Аристотеля, Геснер разделил царство зверей на четыре категории: четвероногие, земноводные, птицы и рыбы (и другие водные животные), и каждой посвятил один из томов своей «Истории». Пятый том, о змеях и скорпионах (включавший также пауков и насекомых), был опубликован в 1587 г., после смерти Геснера.

Конрад Геснер был настоящим эрудитом и славился не только как натуралист, но и как специалист по классическим языкам, ботаник и врач.

От древности к современности

Не полагаясь на слухи и сомнительные факты из работ более ранних авторов, таких как Плиний и Аристотель, Геснер избрал эмпирический подход. Он построил свое исследование на предельно точных описаниях собственных наблюдений и вскрытий. «Исследователь, – говорил Геснер, – должен <…> наблюдать, буквально разбирать на части, затем описывать животных, делая при этом иллюстрации». Это не означает, что ученый полностью игнорировал старые источники. Он признавал вклад Аристотеля и других и приводил множество цитат из Ветхого Завета и средневековых бестиариев, даже включил в книги мифических существ, таких как единорог, феникс и морской змей. Дополнив имеющиеся знания результатами собственного труда, Геснер сумел объединить хроники древности, средневековый мир и более современный подход к науке.

Иллюстрации деталей

«История» изобиловала иллюстрациями – около 1000 раскрашенных от руки гравюр, (многие были выполнены самим Геснером). Но «История животных» – это не просто описание зверей в их природных условиях. Автор затронул современное ему понимание среды обитания, поведения и физиологии, занялся ролью животных в литературе и искусстве. Он даже нашел место, чтобы обсудить кулинарные рецепты и использование животных в медицине.

Геснер был не только одаренным ученым, но и талантливым художником. Гравюра из «Истории животных» изображает лысого ибиса.

Вода и жизнь

Вода – обязательное условие жизни, и это было абсолютно ясно еще тогда, когда человек начал мыслить. Философы, в том числе древние греки, считали воду одной из четырех стихий, формировавших мир. Остальные три – это огонь, земля и воздух. Простой опыт, проведенный в XVII в., дал этой идее научное обоснование. Но является ли вода источником всей жизни?

Аристотель придерживался той точки зрения, что растения получают пищу из почвы. С этой идеей не пытались спорить до XVII в. Фламандский исследователь и врач Ян Баптист ван Гельмонт учился у Парацельса и разделял мнение алхимика о том, что только воздух и вода являются фундаментальными элементами, а огонь и земля – нет. Ван Гельмонт решил опровергнуть утверждение Аристотеля и провел один из самых известных опытов в ранней биологии.

МОНИЗМ

Монизм – это убеждение в том, что в конечном итоге все во Вселенной происходит из одного фундаментального материала. Такого взгляда в основном придерживались древнегреческие философы. Фалес, основатель западной философии, фундаментальным элементом считал воду. Возможно, его выводу не стоит удивляться, учитывая, что вода – единственная субстанция, которую можно наблюдать в твердом, жидком и газообразном состоянии и которая, очевидно, жизненно необходима.

Корни науки

Ван Гельмонт посадил иву весом 2,27 кг в глиняный горшок, где было 90,7 кг почвы. В течение пяти лет он ухаживал за ивой, поливая ее только дождевой или пресной водой. В конце этого периода ученый еще раз взвесил дерево и выяснил, что теперь в нем около 77 кг; он также взвесил почву, обнаружив, что ее масса уменьшилась всего на 56,7 г.

Из этого наблюдения ван Гельмонт заключил, что 74 кг «дерева, коры и корней», даже не считая листьев, которые растение сбрасывало каждую осень, «произошли только от воды». Он списал отрицательную разницу в массе почвы на погрешность эксперимента.

Очевидно, ван Гельмонт не мог знать, что из почвы поступают минеральные вещества для производства растительных белков и других биомолекул. И он ничего не знал о фотосинтезе – процессе, в ходе которого растение накапливает энергию солнечного света, чтобы генерировать новые ткани из углекислого газа и воды, которую берет из почвы. Но он нашел один из фрагментов мозаики. Потребовалось еще 200 лет, чтобы собрать ее целиком.

Ян ван Гельмонт доказал значение воды для жизненных процессов, а кроме того, будучи алхимиком, нашел первое свидетельство существования углекислого газа. Он выделил его из дыма, идущего от горящего дерева, и назвал «лесным хаосом». Но ученый не увидел взаимосвязи между углекислым газом и жизнью.

Кровоснабжение

В 1628 г. Уильям Гарвей опубликовал одну из наиболее важных работ в истории науки. В ней описывалась циркуляция крови по организму и была исправлена ошибка древности.

Гален, влиятельный древнеримский врач, живший во II в., был убежден, что кровь образуется в печени из пищи. Затем кровь поступает в вены, распространяется по всем частям тела и трансформируется в новые ткани или обеспечивает питанием уже существующие. Врач полагал, что запас крови постоянно восполняется, так как тело потребляет ее. Такое ви́дение сохранялось в течение последующих 1500 лет. Гарвей нашел подобный подход несостоятельным, особенно когда подсчитал, что в этом случае человек должен был бы производить 250 литров крови в час! В 1628 г. он опубликовал «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных», описывавшее циркуляцию крови по организму.

У млекопитающих и людей сложная система кровообращения. Первый круг кровообращения несет кровь от сердца по артериям (обозначены серым) и затем обратно по венам (показаны черным). По второму, малому кругу кровь проходит через легкие. Так происходит обмен газами – кислород поступает в кровь, а углекислый газ покидает ее.

ДЫХАНИЕ ЖИЗНИ

Гален учил о пневме как о фундаментальном элементе жизни. «Физическая пневма» располагается в мозге и связана с чувствами и движениями; «жизненная пневма» содержится в сердце, регулируя температуру тела; еще одна «физическая пневма» находится в печени и контролирует питание и обмен веществ.

Согласно ранним представлениям о неврологии, дух течет через пустоты в мозге.

Путь к открытию

До XVII в. считалось, что в организме существуют две отдельные системы для транспортировки крови. Первая состоит из вен, распространяющих насыщенную питательными веществами пурпурную кровь от печени по всему телу. Вторая система несет алую кровь по артериям и распределяет жизненную пневму, которая, как говорили, была дыханием жизни, входящим в тело через легкие.

Уильям Гарвей изучал медицину в Падуанском университете в Италии и занимался у ученого и хирурга Иеронима Фабриция. Фабриций обнаружил, что вены в теле человека имеют одноходовые клапаны, но не мог понять, почему это так. Ученым, объяснившим роль клапанов в движении крови по организму, стал Гарвей.

Получив медицинскую степень, в 1602 г. Гарвей вернулся в Англию. Он имел большой успех и впоследствии стал придворным врачом сначала Якова I, а затем и Карла I. Наряду с медицинской практикой Гарвей продолжал свои исследования. Он был убежденным и увлеченным экспериментатором – проводил вскрытия животных различных видов ради изучения их сердца и кровеносных сосудов.

ИЗУЧЕНИЕ МЫШЦ

Джованни Альфонсо Борелли преподавал в частной анатомической лаборатории на дому, и в числе прочих студентов ее посещал Марчелло Мальпиги. Борелли особенно интересовался структурой и функциями мышц и стал одним из основателей ятромеханики, объяснявшей физиологию на основе математики и физики. Его книга «О движении животных» стала одним из первых исследований по физиологии мышц.

Одноходовые клапаны в венах, рассуждал Гарвей, означают, что кровь по этим сосудам может течь только к сердцу, а не от него. Это был важный шаг к пониманию кровоснабжения. Врач показал, что если перекрыть артерию, ее часть, ближайшая к сердцу, заполнится кровью и начнет расширяться. Если сделать то же самое с веной, набухнет часть, расположенная дальше от сердца.

Кроме того, Гарвей вычислил, что объем крови, проходящей через сердце в течение дня, превышает по весу объем пищи, ежедневно потребляемый организмом. По его оценкам, объем крови, который сердце перекачивает за час, в три раза больше веса человека. Гарвею казалось невероятным, чтобы запас крови восполнялся. Вероятно, кровь одна и та же и идет непрекращающимся потоком через весь организм, от сердца по артериям, затем по венам и обратно к сердцу.

Когда Гарвей опубликовал результаты исследований, он столкнулся с насмешками и издевками, потому что осмелился подвергнуть сомнению учение великого Галена, которому врачи следовали веками. Но к концу жизни Гарвея его идеи получили широкое признание. Единственным пробелом в его аргументации было то, что он не смог объяснить, как кровь попадает из артерий в вены. Гарвей верно предположил, что для этого существуют сосуды, которые слишком мелки, невидимы невооруженным глазом. Всего через четыре года после смерти ученого его правоту подтвердил Марчелло Мальпиги, обнаруживший капилляры при помощи нового изобретения – микроскопа.

Открытие Гарвея основывалось на аккуратных и продуманных экспериментах и вскрытиях животных и людей. Здесь ученый исследует тело Томаса Парра – мужчины, который заявлял перед смертью, что ему 152 года. В результате Гарвей заключил, что Парру не более 70 лет.

Метаболизм

Метаболизм – это сумма всех химических реакций, необходимых для поддержания жизни. Термин происходит от греческого слова μεταβολή, означающего «превращение». Изучение метаболизма началось 400 лет назад с долгого и зловонного опыта Санторио Санторио.

Санторио Санторио, которого запомнили только по первому его имени (хотя разницы и нет), стал врачом в 21 год. Он практиковал в Венеции, где общался с великим физиком Галилео Галилеем. Самый знаменитый опыт Санторио был посвящен весу тела. Врач спроектировал передвижную платформу, подвешенную к рычагу для больших весов. Сидя на платформе, Санторио принимал пищу и записывал изменения своего веса. Если он оставался на платформе, он видел, как его вес постепенно вновь снижался. Врач взвешивал свои твердые и жидкие отходы и выяснил, что на потерю веса они вовсе не влияют. После 30 лет непрерывных опытов Санторио подтвердил, что общий вес его видимых испражнений меньше объема вещества, которое он поглотил. Он пришел к выводу, что различия возникают из-за «невидимого испарения».

Санторио садится на стул для взвешивания, чтобы с наслаждением поесть. Он прославился, сделав 32 000 замеров – по три в день в течение 30 лет.

ТЕРМОСКОП

Санторио считается изобретателем термоскопа, хотя некоторые утверждают, что придумал его Галилео Галилей. Термоскоп – это простое устройство, показывающее изменение температуры. Вода помещалась в стеклянную трубку и, расширяясь или сжимаясь при перепадах температуры, поднималась или опускалась. Мы знаем, что Санторио первым дополнил термоскоп шкалой с цифрами, сделав из него более полезный инструмент.

Построить и сломать

Изначально о неощутимом, или невыявляемом, испарении говорил Гален, но Санторио первым попытался измерить его. Его книга по данному предмету, «О медицине равновесия», принесла ему славу и стала первым системным исследованием метаболизма. Эксперимент Санторио доказывает, что пища обеспечивает тело энергией, хотя врач не обладал современными знаниями. Энергия превращает содержимое пищи в новые ткани и поддерживает жизненные процессы. В ХХ в. биохимики показали, что метаболизм – это последовательность реакций, и в каждой клетке под чутким контролем течет несколько тысяч таких реакций. Итогом, говоря общо, являются два процесса. Катаболизм расщепляет вещество, возможно, чтобы высвободить накопленную энергию или забрать ее из клетки. Анаболизм выстраивает новый материал и нужен для роста и поддержания жизнедеятельности.

Санторио попытался объяснить работу тела чисто механически. Он утверждал, что тело функционирует как часы, и характер работы зависит от положения и формы соединяющихся частей.

Эмбрионы

Эмбриология – это ответвление биологии, изучающее раннее развитие организма. До XVIII в. преобладала точка зрения, что эмбрион – полностью сформированный организм в миниатюре. Научный подход развенчал эту идею.

Термин «эмбрион» главным образом обозначает клубок делящихся клеток. Термин применяется к стадии развития организмов, начинающейся с момента, когда клетки проникают в стенки матки, и до конца восьмой недели после зачатия. После этого ребенок, обретший более определенные очертания, называется плодом.

Есть несколько претендентов на звание отца эмбриологии, и в их числе Марчелло Мальпиги, Каспар Фридрих Вольф, Аристотель и даже Леонардо да Винчи. Еще один человек, на него претендующий, – Иероним Фабриций. Он учился в Падуанском университете у великого анатома Габриэля Фаллопия (также известного как Габриэле Фаллопио), а в 1562 г. сменил его на должности профессора хирургии и анатомии в университете. Здесь он преподавал Уильяму Гарвею, открывателю кровообращения. Описание клапанов в венах, данное Фабрицием, указало Гарвею верное направление.

Иероним Фабриций, также известный как Джироламо Фабрицио, написал 16 книг по анатомии и развитию.

Внутреннее развитие

Именно работа Фабриция «О формировании плода» (De Formato Foetu), опубликованная в 1600 г., подготовила почву для сравнительной эмбриологии. В книге ученый изложил свои наблюдения о развитии плода у некоторых видов, в том числе у людей, и впервые детально описал структуру плаценты. Кроме того, Фабриций подтолкнул Гарвея к изучению эмбриологии. Исследуя стадо спаривающихся оленей, Гарвей обнаружил указания на развитие эмбриона в матке только через шесть–семь недель после спаривания и был убежден, что в действительности зачатие происходит еще где-то в теле. Путь оплодотворенной яйцеклетки по фаллопиевым трубам к матке проследили лишь спустя столетие.

Рисунок из книги Фабриция 1621 г. показывает стадии развития цыпленка внутри яйца.

ГАБРИЭЛЬ ФАЛЛОПИЙ

Фаллопий был анатомом-новатором и известен своим талантом вскрывать человеческие тела. Главным образом его интересовала анатомия головы, но в медицинские справочники он попал благодаря своим исследованиям устройства репродуктивных органов человека. Ученый описал два тонких канала, проводящих, как позже выяснилось, оплодотворенные яйцеклетки из яичников к матке. Сегодня они носят его имя: фаллопиевы трубы.

Клетка

Клетка – это кирпичик жизни. Все живые существа состоят как минимум из одной клетки. И открыл ее один из самых недооцененных исследователей.

Роберт Гук был гением от науки. Его вклад в самые разнообразные дисциплины крайне важен – он многое сделал не только для биологии, но и для химии, физики, астрономии, геологии и архитектуры. И все же, как ни удивительно, мы даже не знаем, как выглядел этот великий ученый. Ни одного портрета Гука не сохранилось.

Будучи студентом Оксфордского университета, Гук произвел впечатление на выдающихся профессоров естествознания своим талантом проектировать инструменты и ставить опыты. В результате он стал помощником химика Роберта Бойла. В 1662 г. Гука назначили куратором экспериментов во вновь созданном Лондонском королевском обществе, ему предписывалось демонстрировать опыты на собраниях академиков.

Гук завоевал себе место в истории биологии, выпустив книгу «Микрография». Она была опубликована в 1665 г. и фиксировала наблюдения, сделанные ученым с помощью составного микроскопа собственной конструкции. С его помощью Гук исследовал перья птиц, волосы, насекомых и другие организмы. Описания сопровождали изысканные иллюстрации, показывавшие, что Гук был не только первоклассным ученым, но и талантливым художником.

Через микроскоп Гук увидел структуры в кусочке пробкового дерева. Он назвал эти ячейки «клетками».

Самое известное наблюдение Гук сделал, исследуя тонкие срезы пробки. Он увидел, что они были «пористыми, похожими на пчелиные соты», и назвал эти поры «клетками», так как они напомнили ученому кельи, или комнаты монахов, в монастыре. То, что он обнаружил, было стенками клеток в ткани пробки. Гук также сообщил, что замечал похожие структуры в других растениях. Клетки, увиденные Гуком, были пустыми – он думал, что они задействованы в транспортировке жидкостей в живых растениях. Судя по всему, ученый не понял, что открытые им структуры были базовыми единицами всех живых организмов. В 1678 г., когда Антони ван Левенгук сообщил Лондонскому королевскому обществу об увиденных им «зверьках», Гука попросили подтвердить наблюдения голландца, и он успешно это сделал, чем помог Левенгуку получить признание. Сегодня мы знаем, что «зверьками» были одноклеточные простейшие и, возможно, бактерии.

МИКРОСКОП ГУКА

Микроскопы Гука изготавливал лондонский мастер Кристофер Кок, но сам Гук участвовал в их проектировании. У микроскопа были отдельные тубусы фокусировки и шаровой шарнир, чтобы регулировать обзор. Линзы, которые использовались в микроскопе Гука, к сожалению, были плохого качества. Ученый попытался исправить это, но изображение получалось слишком темным. Поэтому он нашел способ направить на свои образцы луч света. Чтобы добиться яркости, он пропускал свет от масляной лампы через наполненный водой сосуд.

Копия составного микроскопа и системы освещения Гука.

Палеонтология

Палеонтология изучает историю жизни на Земле. Она основывается на исследовании окаменелостей – останков когда-то живших существ, которые превратились в минералы или отпечатались в камне.

В попытках объяснить существование окаменелостей выдвигались разные предположения. По одной из теорий, восходящей к наследию Аристотеля, окаменелости формировались и росли в Земле благодаря «формирующей силе», которая создавала камни, похожие на живые существа. Леонардо да Винчи отмахнулся от подобной теории и заявил, что «такое мнение может исходить только от ума не слишком разумного». В качестве разгадки того феномена, что морские раковины находят в горах, он предложил гипотезу о том, что ракушки были покрыты землей еще до того, как оказались наверху, и что там, где сейчас суша, когда-то был океан. Да Винчи не публиковал свои мысли, а заносил их в личные дневники в начале XVI в. Только 150 лет спустя его взгляды независимо друг от друга пересмотрели Стено и Роберт Гук. Последний изучал окаменелости и геологию. Он стал первым человеком, поместившим окаменелости под микроскоп. Гук обнаружил сходство в строении ископаемых дерева и ракушек и живого дерева и раковин живых моллюсков. Ученый думал, что органический материал можно превратить в камень, погрузив в воду, насыщенную растворенными в ней минералами. Гук продолжил сравнивать ископаемые и живые организмы, заключив, что многие окаменелости представляют собой создания, которых больше не существует на Земле. Это был очень спорный взгляд в то время, так как идея вымирания противоречила религиозным верованиям.

ОТКРЫТИЯ СТЕНО

В 1666 г. датский анатом Нильс Стенсен, известный также как Николас Стено, взялся за вскрытие акулы. Его сразу поразило сходство ее зубов с треугольными камешками, которые называли «каменными языками». Стено заявил, что «каменные языки» на самом деле являются зубами когда-то живших акул, и утверждал, что первоначальные ткани акулы со временем заменили минералы. Стено предположил, что окаменелости – это срезы жизни различных периодов в истории Земли.

Работа Стено, посвященная ископаемым зубам акулы, положила начало палеонтологии.

«Зверьки»

Голландский торговец тканями Антони ван Левенгук решил рассмотреть свои тонкие материи поближе, а в результате основал новый отдел биологии. В процессе он обнаружил, что в природе существует гораздо больше, чем бросается в глаза.

В 1650-х гг. изобретательность Левенгука позволила ему создать маленькие высококачественные линзы, обеспечивающие увеличение в 250 раз и более. Микроскопы, сконструированые им, не были похожи на бочку – единственная линза устанавливалась между двумя небольшими металлическими пластинами, которые подносили близко к глазу, а регулируемымый стержень сзади держал образцы. С помощью этих инструментов Левенгук начал изучать разнообразные материалы, например воду из пруда, и с изумлением обнаружил мир крошечных животных (он назвал их зверьками), которые в ней плавали. Хотя он не был профессиональным ученым, он связался с Лондонским королевским обществом – отправил первое из более чем 150 писем, – описывая и иллюстрируя свои открытия. Левенгук был единственным, кто в то время вел подобные исследования, так как никто не смог сделать столь мощные линзы, а сам он держал свой метод в секрете.

Антони ван Левенгук (1632–1723) считается основателем микробиологии. Однако в более поздние свои годы он нашел новое призвание, став инспектором виноделен в Делфте.

Новые миры

Ученым потребовались сотни лет, чтобы разобраться, к чему же Левенгук привлек их внимание. Он увидел одноклеточных животных (тех, кого мы сегодня называем простейшими), мелких многоклеточных, таких как коловратки, крошечные растения (водоросли), и даже бактерии. Он также изучал жидкости тела и первым наблюдал сперматозоиды, находящиеся в мужской сперме. Это открытие вызвало споры и пересуды – годами многие ученые верили, что сперматозоиды скорее паразиты, а не половые клетки, как нам сегодня известно.

Примеры «зверьков», которых впервые наблюдал Левенгук.

Метаморфозы

Превращение, или метаморфоза, гусеницы в бабочку или головастика в лягушку всегда вызывала любопытство. С конца 1600-х гг. люди начали изучать эти примечательные изменения с научной точки зрения.

Голландский энтомолог Ян Сваммердам провел первые важные исследования предмета. В то время многие люди думали, что в результате метаморфозы один вид животного буквально превращается в совершенно другой. Сваммердам доказал, что это не так, продемонстрировав, что внутри личинок насекомых, таких как шелкопряд, уже можно различить формирующиеся крылья. Работу Сваммердама серьезно дополнил французский ученый Рене Реомюр, в 1734 г. опубликовавший «Мемуары по естественной истории насекомых».

Как это происходит?

Первые исследования были в основном анатомическими, но позже внимание сосредоточили непосредственно на механизмах наблюдаемых изменений. Было отмечено, что органы личинки насекомого при метаморфозах разрушаются, и что тело взрослой особи вновь вырастает из маленьких групп клеток. После открытия гормонов в начале ХХ в. стало известно, что метаморфозы происходят под действием гормонов. У лягушек и жаб изменения от головастика к взрослой особи провоцирует тиреоидный гормон. У насекомых же гормон называется ювенильным и циркулирует в крови личинки. Когда ювенильный гормон перестает поступать, начинается превращение.

Иллюстрация Рене де Реомюра, показывающая развитие личинки овода, оленьего паразита.

ШЕЛКОВИЧНЫЙ ЧЕРВЬ

Несмотря на свое название, шелковичный червь вовсе не червяк, а гусеница мотылька. Жизненный цикл шелковичного червя – пример «полной метаморфозы», проходящей в четыре этапа: яйцо, личинка, куколка (стадия покоя, когда формируются ткани взрослой особи) и взрослая особь (или имаго). Личинка, готовясь к окукливанию, плетет кокон из тонких нитей шелка. Это волокно собирают и превращают в тонкую ткань.

И почему?

Метаморфозы дают преимущества животным, организмы которых затрагивают. Происходит разделение труда – гусеница ест, а бабочка отдает всю энергию на размножение. Кроме того, метаморфозы сводят на нет борьбу за ресурсы между взрослыми особями и их потомством. Головастик кормится в воде, а лягушка ищет пищу на суше. В случае с морскими созданиями, например моллюсками, кораллами и морскими звездами, взрослые особи зачастую передвигаются медленно или вообще всю жизнь остаются на одном месте. Эти животные выпускают тысячи крошечных личинок, которые перемещаются вместе с планктоном, и это способствует распространению вида.

Ткани растений

Долгое время познания в анатомии растений отставали от познаний в анатомии животных. Многие считали, что растения ничем не примечательны. Неемия Грю решил доказать, что они неправы.

В 1600-х гг. микроскопы начали менять биологию, и Грю использовал их в полной мере для тщательного изучения тканей растений.

Он опубликовал несколько работ и статей, собранных вместе в труде «Анатомия растений» (1682). Прекрасно иллюстрированная книга впервые показала, насколько сложное у растений внутреннее строение. Это был новый мир, ждущий первооткрывателей. Грю хотел вознамерился сделать результаты своих исследований понятными читателям, насколько это было возможно. А потому, чтобы показать, как соединяются различные ткани растений, использовал то, что мы бы сегодня назвали 3D-чертежами.

Современное изображение растения в разрезе под микроскопом, подкрашенное, чтобы показать отдельные ткани, растущие концентрическими кольцами.

В 1720-х гг. английский священник Стивен Гейлс занялся функциями структур растения, обнаруженных Грю. На иллюстрации в книге «Статика растений» Гейлс показал прохождение жидкости по внешнему участку ствола дерева.

От строения к функции

В этом и во многом другом Грю опередил свое время. Чтобы в полной мере разобраться с описанными им функциями строения, требовалось развитие других наук. Хотя слово «клетка» ввел в оборот современник ученого Роберт Гук, описывая увиденное под микроскопом устройство растений, речь шла только о полых клетках пробкового дерева, и понимания, что клетка – фундаментальный кирпичик в строении всех живых существ, не было еще 150 лет. Сам Грю представлял ткани растений скорее как переплетающиеся волокна, словно в простых тканях. Ученый принял во внимание поддерживающую функцию более прочных древесных тканей (их он сравнивал с костями животных) и доказал, что существуют трубки, тянующиеся вниз по стеблям растений (сегодня их называют сосудами ксилемы). Но только в XIX в. появились работы, полностью объясняющие функции тканей растений – в частности тех, что распределяют вещества: ксилема проводит воду и минералы от корней, а флоэма проводит другие субстанции, в том числе сахара, созданные в ходе фотосинтеза, от листьев.

Иллюстрация из «Анатомии растений» Грю, изображающая ветвь в разрезе.

Анатомия цветка

В чем назначение цветов? Быть может, они просто были созданы только для нашего удовольствия? В конце XVII в. вновь возник интерес к их научному исследованию.

Понимание того, что цветы имеют отношение к репродукции, существовало всегда, так как из них получаются семена и фрукты. Но как в точности они устроены с точки зрения анатомии? Ранние анатомы растений, такие как Неемия Грю, размышляли о разделении полов у представителей флоры и предположили, что пыльца эквивалентна мужскому семени у животных. Экспериментально же доказать это попытался современник Грю, немец Рудольф Камерариус, опубликовавший результаты штудий в 1694 г. в трактате «О полах у растений». Например, Камерариус взял виды, где каждый цветок был либо мужским, либо женским (как правило, они являются гермафродитами, то есть совмещают оба пола) и показал, что женские цветки не производят семена, если не находятся рядом с мужскими цветками, производящими пыльцу.

Типичный цветок – это орган для отправки и получения пыльцы, мужских половых клеток растения. После завершения процесса из цветка формируются семя и плод.

ОПЫЛЕНИЕ

Многие цветы привлекают пчел, чтобы те помогли перенести пыльцу с одного цветка на другой. Часть пыльцы, которую переносят пчелы, стряхивается на липкий кончик (рыльце) высокой женской части цветка. Пыльцевое зерно падает внутрь и оплодотворяет семязачаток внизу. Пчела собирает пыльцу и нектар и относит в улей, чтобы превратить в мед.

Базовая анатомия цветка-гермафродита (одновременно и мужского, и женского) показана выше. Более поздние исследователи раскрыли новые подробности. Пыльцу производят пыльники, расположенные наверху высоких образований, которые называются тычинками. Пыльца переносится на липкое рыльце, откуда попадает в семязачаток, женскую клетку, расположенную у основания. Цветные лепестки привлекают насекомых и других животных, и те переносят пыльцу с одного цветка на другой. Специальные железы, производящие нектар, также привлекают насекомых. А ветроопыляемые растения, например многие виды деревьев, не нуждаются в ярких лепестках. Они производят массу пыльцы, которую далеко разносит ветер, и по крайней мере часть ее благополучно попадает на цветки соседних деревьев.

Схематичные изображения цветков из книги о цветах Новой Зеландии, опубликованной в 1888 г.