Пчеловодство выходного дня

СЕЗОННАЯ КОСМЕТИКА РАСТЕНИЙ

Похищение цветами пятеричной симметрии. — Вещества, дарящие цвет. — Просто ли быть некрасивым? — Пути адаптации.

И все же, как ни красивы кристаллы минерального мира и чудеса творчества химиков, им нелегко спорить с очарованием живых цветов. Рассматривая лепестковый узор этих колышущихся на ветру “улыбок жизни” глазами уже несколько осведомленного в вопросах гармонии человека, мы без труда обнаруживаем и в них организующую праздничный порядок ось симметрии. Она незримо проходит через центр любого цветка. Пять лепестков шиповника, например, если мы будем вращать цветок вокруг этого центра, одинаковы и равнозамещаемы. Тем же свойством обладают и цветы яблони, вишни, незабудок, огурцов и множества других растений нашей флоры. Напрасно мы будем искать аналогичную симметрию в мире поразивших нас своей красотой минералов: здесь пролегает принципиальная грань различия — пятеричная, или пентагональная, симметрия обнаружена только в живой природе.

Вспомним ту же пятиконечную морскую звезду и одновременно с ней красавицу Севера снежинку, простершую с геометрической строгостью свои шесть хрупких лучей. И мы никогда, как бы ни старались, не встретим снежинку, нарушившую правило, в которой пять лучей. Живым же цветам “не заказано” иметь четыре и шесть лепестков, как у сирени, лотоса, и даже махровый венчик, где число лепестков обычно кратно пяти. К махровым цветам относятся и избранные гости цветочного бала — розы, георгины, пионы, и скромные, но полные прелести луговые ромашки, васильки.

Иоганн Кеплер, уже в XVII веке прикоснувшийся к геометрическим тайнам формотворчества природы, обращал внимание на предпочтительность, оказываемую пятеричной симметрии растительным миром: “…может быть, в этом и кроется различие, состоящее в том, что плоды цветов с пятью лепестками, как у яблонь и груш, сочны или содержат мягкую внутреннюю часть, как у роз и огурцов, в которой скрыты семена… Что же касается цветов с шестью лепестками, то из них не вырастает ничего, кроме семян в сухой оболочке, и плод сидит прямо на цветке”. Он считал, что “производительная сила” в геометрическом воплощении более сочетается с пятиугольной фигурой.

Кристаллографы не скрывают своей убежденности, что именно выход биомолекул на пятеричную симметрию спасает живое от окаменения. Невидимые правила симметричного построения, ограничивающие строительные пристрастия вещества в мире кристаллов, в цветках, где “трудятся” те же вещества, не столь строги, и цветы, как мы видим, предпочитают показываться именно в форме, запрещенной в минеральном мире пентагональной симметрии. В чем тут дело?

Чтобы создать закрепленную форму, например, выстроить лепестки или листья, сотни и тысячи различных типов молекул, наполняющие растительные клетки, должны “сотрудничать” друг с другом. Законы этого сотрудничества, и позволяют так приладить пристрастия, а точнее стереометрию различных молекул, к тому или иному виду симметричного расположения, что в итоге может родиться новая форма, одолевающая запреты, имеющие силу для отдельного вещества. Кристаллическая индивидуальность утрачивается, но обретается возможность “лепить” самые различные формы. Так жизнь, возникая и строя себя на принципах согласованных отношений отдельных веществ друг с другом — метаболизме, скользнула в царство незнакомой минералам свободы.

Вглядитесь в пятилепестковый орнамент цветов, внемлите идущей от них радости, уловите нежный взгляд незабудок: в них сияет сам символ Жизни и Победы!

У растения, в клетках которого зажжен огонь обмена веществ и трудится освобожденное от власти законов минерального мира вещество, подчиняясь законам более высокого иерархического уровня, симметрично расположены не только лепестки цветов и листья, упорядочены и остальные элементы его внутренней структуры. Они включают и зоны тех тканей, в которых сосредоточились молекулы, дающие ему индивидуальную окраску. К таким веществам растения, его своеобразной палитре, относятся антоцианы, флавоны, кароттюнды и другие красящие пигменты.

Гармоничное сочетание оттенков пигментных зон растений, улавливаемое глазами человека, — косвенное проявление не только упорядоченного их расположения в тканях, но и отражение упорядоченного во времени обмена веществ.

Химические процессы в растениях строго синхронизированы со средой обитания, в частности с особенностями сезона года, и идут с различной скоростью, наиболее высокой в период роста, или вегетации. Укутанное зеленым плащом своих листьев, предельно насыщенных зернами энергонакопителя-хлорофилла, растение — все в созидательной работе. В этот момент нам открыта лишь часть свойственной ему привлекательности: зеленый наряд геометрически безупречен и ласкает взор бархатистой нежностью. Однако настоящие кладовые и цвета и формы растение бережет, как свадебный наряд.

Прошло время, растение завершило свою генетическую программу и выросло до определенных ею размеров. Наступает особенно важный момент в его жизни: растение зацветает. Предельная напряженность метаболических процессов ослабевает, материальные элементы всей структуры цветка словно бы застывают во временном равновесии. И теперь именно он, цветок,— главное действующее лицо. Жизнь растения подчинена ему, и вот цветок, покачиваясь от дуновения ветра, порывы которого смягчены свитой окружающих листьев, даря сияние отраженных лучей, ждет… Время для него остановилось: мы смотрим на него как на чудесный кадр из какой-то не снятой, по фантастически прекрасной фотопленки и видим, что все в нем соразмерно, уравновешенно, симметрично. Цветок ждет, когда явится насекомое, которое принесет желанную и оплодотворяющую “искру” — пыльцу-пылинку, вновь включит Время, и оно снова заставит растение беспрерывно меняться, сбросить свой яркий наряд и готовить семя к будущему циклу жизни.

И еще раз в бурной биохимической деятельности растения наступит передышка, когда придет время расстаться и с зеленой листвой. Растение в целом уже подготовилось к зиме, осталось лишь убрать, “по-хозяйски” переправить из обреченных и ненужных зимой зеленых листьев все те вещества, которые полезны зимующему организму и его частям: почкам, корням и стволам многолетников. И эта “работа” идет последовательно и постепенно: разрушается хлорофилл, расщепляются молекулы пигментов, листья постоянно меняют окраску, пока окончательно не иссохнут и не полетят по ветру, опадая на влажную землю. Там их ждут почвенные грибы и микроорганизмы, они окончательно распорядятся каждой частицей органического вещества организма-созидателя для еще одного “перевоплощения” — на этот раз в тело какого-либо опенка, шампиньона или красавца наших лесов — белого гриба. И вновь “развоплощенные” и затем воссозданные в новом “лике” уже иными организмами-строителями молекулы предстанут перед нами в совершенных формах их конечного расположения.

Однако есть ли польза для растений в наиболее яркой цветочной ярмарке года — поре “золотой осени” и осеннего листопада? Тогда уходящие в небыль листья словно бы соревнуются друг с другом, выплескивая накопленные ими запасы совершенных форм и их расцветок. Окраска цветов растений, обусловленная присутствием определенных соединений, относительно легко поддается селекции. Это дополнительно свидетельствует о том, что она — весьма податливый, да и второстепенный признак: изменения в этой части генетических “предписаний” не влекут за собой слишком серьезных последствий для вида.

Очевидно, можно из отдельных жемчужин сделать некрасивое ожерелье, но организм-строитель, тот же гриб-боровик, растение, придонный моллюск, обволакивающий инородный предмет своим перламутровым покрывалом, не имеют, как мы видим, “права”, да и не умеют делать “плохую биохимическую работу”. Каждый из них со “знанием дела”, запечатленным в его генетическом коде, вновь соберет на молекулярных сборочных площадках — ферментах — из поступивших к ним исходных веществ и длинные упорядоченные нити молекул биополимеров и короткие, но цветоактивные молекулы пигментов. Подчиняясь властным законам симметрии и порядка, они вновь вовлекутся в формы, которые не раз поразят человека, направляя его мысль и чувство к истокам совершенного и прекрасного в нашем мире.

Итак, красота цветов и осеннего убранства деревьев, видимо, не имеет для растений какой-либо прямой пользы. Просто нашему взору открывается та внутренняя работа, которая происходит в организме в процессе его жизнедеятельности во всем ее совершенстве.

Но в природе бывают случаи, когда внешняя “отделка” организма, цвет его покровов служат важным фактором выживания. У растений, как мы видели, и форма цветка, и его окраска представляют собой как бы невольное проявление симметричного и высокоорганизованного обмена веществ. Другое дело — животные. Для последних внешность имеет важнейшее значение. Вынужденные постоянно вписываться в причудливые, вечно меняющиеся узоры требований окружающей среды, борясь и конкурируя друг с другом, животные приобретают тот цвет и форму своих покровов, которые наилучшим образом способствуют выполнению главных жизненных задач их вида. Сюда относится и сезонная линька, и окраска, связанная с возрастными фазами и полом, и поразительные явления мимикрии— цветомаскировки, когда один вид принимает форму и цвет другого, под который выгодно замаскироваться, и множество других подобных фактов. Особенно здесь удивляет мир придонных существ:  водяных ящериц — хамелеонов, рыб, моллюсков, способных уже за считанные минуты приобрести окраску того дна, над которым застыл, скрываясь от преследователей, житель морских глубин. Мимикрия очень широко распространена у насекомых.

Факты этого рода свидетельствуют о наличии у подобных организмов исключительно высокоэффективных анализаторов цвета, способных осуществлять контроль биохимических систем, которые синтезируют нужные пигменты либо так изменяют характеристики среды в зоне их расположения (рН), что приводит к получению нужного “колера”. Одним из первых системы цветорегуляции кожных покровов у рыб (гольяна) исследовал Карл Фриш, прославившийся впоследствии открытием языковых танцев у пчел.

Таким образом, синтез цветоактивных молекул и управление путями их проявления вовне находятся под контролем либо отдельного организма, как у многих представителей животного мира, или популяции в целом, как у растений. В мире флоры каждый организм, как автомобиль на конвейере, получает одну окраску на всю жизнь, но в последующих генерациях могут произойти нужные изменения. Именно этот второй случай “поведения” популяции был в свое время исследован на примере окраски лепестков гороха Грегором Менделем, который, открыв механизм распределения этих признаков в потомстве, заложил основы современной генетики. Пигменты растений, как цветки его лепестков, верно влекущие пчелу к нектарной клади, привели и человека в мир фактов, открывших ему фундаментальные законы живого, и он познал многое. Так выяснилось, что при наиболее распространенном механизме приспособления к окружающей среде каждая особь популяции получает от рождения весьма жесткий набор свойств. Дальнейшую их корректировку осуществляет сама среда (естественный отбор). Особи, выжившие в результате строгой браковки средой, то есть соседями и физическими факторами, передают “код удачливости” своему потомству.

В подобных случаях энергия вида концентрируется на максимально расширенном воспроизводстве и постоянном генетическом или информационном обновлении всей популяции в целом, что и позволяет виду существовать неограниченно долгое время.

В жизни таких видов резко возрастает роль переносчиков генетического материала. Недвижимые растения нуждаются в подвижных помощниках. К их “призывным” пунктам — цветам — и спешат медоносные пчелы, обменивая работу по переносу с пыльцой генных посланий на предмет вознаграждения — нектар.

У самой же специализированной армии легкокрылых работников, как и у других животных, эволюция сложилась по-иному. Каждая особь от рождения получила относительно большую “свободу воли”, то есть возможность поступать тем или иным образом в зависимости от ситуации, благодаря формированию централизованной информационно-управленческой системы — мозга. Он — главный атрибут животного, его шанс на выживание. Посредством мозга и хранимого в нем опыта поведения и ответных реакций — рефлексов, накопленных предыдущими поколениями, животное способно осваивать нестандартные ситуации и обучаться, завоевывая новые области жизни.

Высшим взлетом на этом пути является возникновение теснокоординируемых сообществ животных, в том числе и медоносных пчел, способных еще более эффективно решать возникающие перед видом задачи.

СТРОИТЕЛЬНАЯ ИНДУСТРИЯ РАСТЕНИЙ И ПЧЕЛ

Реванш аморфных веществ. — Кто построил зеленый лист и украсил цветы растений? — Иерархия молекул в клетке. — Невидимые биороботы.

Как было сказано ранее, у медоносных пчел достигнут “потолок” в оптимизации их восковых сооружений. Столь совершенных построек нет ни у пчел-одиночниц, ни у видов, представляющих это многочисленное племя, которые ведут жизнь небольшими группами.

Какова технология этого блистательного опыта?

Мы уже отмечали в случае с глюкозой, “стремящейся” откристаллизоваться от своей вечной спутницы в меде — фруктозы, что склонность чистых веществ к энергетическому покою и образованию литых форм в среде обитания живых организмов не несет им блага. Там вещество за исключением, пожалуй, того случая, когда оно включено в опорную скелетную часть организма, находится в постоянном движении и обновлении, и ему приходится “забыть” про уютные и красивые покои кристаллической решетки.

Еще в большей степени эти требования относятся к строительному материалу, привлекается ли он к построению “тела” растения или к созиданию ажурных пчелиных построек.

В каком же состоянии должно быть вещество, чтобы удовлетворить взыскательные требования живого организма в его строительной деятельности? Очевидно, лишь в антиподном кристаллическому — аморфном состоянии. В веществе, пребывающем в таком состоянии, молекулы располагаются в “вольном порядке”, хотя само вещество может и не быть жидким. В природе примерами таких аморфных тел служат янтарь, различные смолы и камеди, образующиеся в виде натеков на стволах деревьев и их почек, вулканическая лава. Важнейшее свойство таких неорганизованных на молекулярном уровне тел — изотропность, то есть одинаковость свойств в любом выбранном направлении, в противоположность анизотропности, свойственной кристаллам.

Вот эта изотропность, или “безразличие” вещества к форме, равноподатливость любому прилагаемому к нему усилию и делает аморфные тела бесценными как строительный материал. Недаром самые распространенные из них, используемые сейчас человеком, и представляют собой аморфные смеси веществ: глина, стекло, бетон, сплавы металлов, различные пластики. Все они в определенный  момент, до придания им окончательной формы, выдерживаются либо в виде расплава, либо незатвердевающей массы.

Овладев этими материалами, человек необычайно расширил и укрепил свою сферу обитания. Чтобы сделать это, он привлек огонь и разжег горн, подавляя силу устремления любого вещества к образованию своей формы, и путем творческого труда придал ему ту форму, образ которой он заранее создал в своем воображении.

Как обстоит дело у других живых существ с поиском и применением веществ в качестве строительного материала? И в первую очередь, у растений, которые обеспечивают живым органическим веществом всех остальных жителей планеты?

За тем, как сооружается восковой град у пчел, можно проследить в наблюдательном улье *, но увидеть, как работают ферменты-сборщики в живой клетке растения, собирая его из отдельных молекул, непосредственно невозможно: наш орган зрения не способен различать столь малые размеры.

Однако наука сумела создать приборы и методы, позволившие понять основные принципы строительной индустрии растений. Мы знаем, что конечные результаты этого “строительства” занесены нами в список естественных эталонов прекрасного и совершенного. Вспомним внешний вид цветущих растений и их ароматные, сочные и привлекательные плоды и ягоды. По плану какого зодчего и силами каких работни-

* Наблюдательный улей заселяют небольшой семейкой пчел. Он представляет собой камеру со стеклянными стенками, через которые можно наблюдать за любым участком гнезда.

ков ведется эта великая стройка? Обо всем этом стало многое известно в последние годы.

Основным отличительным свойством “строительной индустрии” растений является то, что работа ведется на молекулярном уровне и идет она под неукоснительным и строгим генетическим надзором. Уже одно это настраивает нас на ожидание, что молекулы, склонные к созданию гармоничных структур и узоров, в полной мере реализуют свои способности, “работая” и в клетке. Однако “показать им себя” там нелегко: клетка буквально напичкана тысячами различных видов молекул, у каждого из которых свои “строительные пристрастия”. В таком “многоликом” коллективе не могут идти процессы, подобные стихийному росту кристаллов, зато развиваются другие, еще более поразительные в своей согласованности.

В любой клетке выстраивается целая иерархия молекул. Причем одни из них выступают в роли “ведущих”, а другие — “ведомых”. Последним приходится “повиноваться”, подчиняясь молекулам с более сложной структурной и функциональной организацией. Те, в свою очередь, выполняют предписания более высокого иерархического уровня, а именно генетического плана.

Главные среди молекул — дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). Эти молекулы представляют собой очень длинные цепи, сотканные из более простых и повторяющихся звеньев — нуклеотидов. Их последовательность и кодирует всю накопленную в бесчисленных ранее живших поколениях “химическую память” вида, конкретный путь построения и функционирования любой части растения и всего его организма в целом. Они и есть молекулярная основа генов, которые сосредоточены в “мозговом центре” клетки — ее ядре. В процессах воспроизводства эта закодированная на языке нуклеотидов программа “молекулярных строек”, упакованная в закручивающиеся спирали хромосом с вмонтированными” в них смысловыми участками — генами, и передается от растения к растению с созревшей пыльцой. Микроскопическую пылинку пыльцы — эту изящную капсулу, где в цветной упаковке находятся гены, и переносят на ворсинках своего тела пчелы-труженицы. Однако гены — лишь матрица, они еще не жизнь, а один из ее инструментов. Чтобы считать и исполнить записанную в них информацию, им нужны другие, невидимые для человеческого взгляда помощники и реализаторы. В живом организме их роль выполняют информационные и транспортные рибонуклеиновые кислоты (сокращенно:  РНК). Они сделаны практически из того же материала, что и ДНК, но их нити не столь длинны, да и функции у них менее глобальные. Информационные РНК передают конкретный “план” на место, где ведутся молекулярные работы, в то время как транспортные РНК опознают и выбирают те аминокислоты из внутриклеточного раствора, которые необходимы для построения основной “рабочей силы” клетки — молекул ферментов. Удивительно уже в клетке видеть такую специализацию молекул, которые ведут себя, словно “одушевленные существа”, как назвал их крупнейший французский химик-теоретик Лионель Салем *. В клетке, где организованный микромир вовсю трудится, ученый видит высоко согласованное “поведение” различных типов молекул. В иерархической пирамиде молекул клетки, помимо ДНК и РНК, одно из центральных мест занимают ферменты — клеточные биороботы. Все  неисчислимое количество функций и “дел”, которые приходится выполнять стремящейся жить клетке, осуществляют эти неутомимые молекулы-труженики. По парадоксальному механизму жизни, в конечном счете, они строят и собирают самих себя.

* Салем Л. Чудесная молекула. – М.: Мир, 1982.

Молекулы ферментов по сравнению с молекулами таких простых веществ, как вода, спирт или сахар, — настоящие гиганты. Под стать этому и место ферментов в иерархической лестнице. Каждый фермент собирается из 80—100 и большего числа остатков аминокислот, которые среди органических веществ относятся к соединениям со средней молекулярной массой. Часто ферменты имеют “вставки” от элементов структур других молекул, не являющихся аминокислотами, что придает им особые свойства, например способность улавливать свет, запах.

Такие молекулы — уже истинные очаги живого, они способны скручиваться и раскручиваться, “узнавать”, “запоминать”, останавливать реакции либо их ускорять, ловить кванты света и делать тысячу других дел. Практически ни одно мало-мальски серьезное химическое событие в клетке, да и за ее пределами, если речь идет о целых специализированных объединениях клеток — организмах, не обходится без участия этих всемогущих и универсальных химических работников живой материи. Нельзя не удивиться прозорливости Ф. Энгельса, который задолго до современных великих открытий в химии опознал сверхзначимость белковых веществ в явлениях жизни. Он определил ее “как способ существования белковых тел”. И время не поколебало точности его формулы.

При помощи верных помощников — молекул белка — и идет в растении великая стройка. Каждая фаза строительства доведена до высшей степени совершенства. Ошибки, которые иногда случаются при выполнении генетического плана, тут же немедленно опознаются другими “контролирующими” ферментами и мгновенно устраняются, что исключает в итоге какие-либо серьезные отклонения от плана, могущие привести к уродствам во внешних формах или другим отклонениям. Такие отклонения, или мутации, столь редки, что экспериментатор, задавшись целью их вызвать, подвергает живую клетку очень сильному воздействию: бомбардирует ее потоком особых веществ (мутагены), облучает рентгеновскими лучами, помещает в стрессовую ситуацию (низкие и высокие температуры, дефицит влаги и т. д.). Большинство таких вызванных вмешательствами человека изменений нежелательны для клетки и ведут ее к гибели, и только ничтожная часть их может быть использована селекционером для создания жизнестойких мутаций. Однако и эти мутации происходят, как правило, в “разрешенных” самой клеткой участках генома.

Итак, из высшего “оперативного центра” или центров, куда стекается информация от рецепторов о состоянии окружающей, а также внутренней среды и природа которого пока еще недостаточно изучена, на генетические матрицы с записанной на них информацией поступает сигнал-приказ. Его роль исполняют небольшие подвижные молекулы-гормоны. Гормон включает механизм “молекулярной индустрии”. Последовательно вырабатывается весь каскад управляющих и осуществляющих молекул, которые, имея во внутриклеточной среде необходимый строительный материал, возводят структурно-морфологический каркас растения, строят отдельные органы, занимаются цветовой отделкой “лицевых сторон” и осуществляют множество других необходимых построек.

Скелетный каркас растений, на долю которого у древесных пород приходится основная биомасса, строится в основном из двух биополимеров * — целлюлозы и лигнина. Целлюлоза собирается из молекул глюкозы, а лигнин — из молекул кониферилового спирта. Ввиду важности этих молекул в “стройках растении” их формулы приведены:

* Молекула полимера образуется из повторяющихся звеньев более простого строения.

Свойства исходных блоков-молекул, или мономеров, существенно сказываются на конечных результатах ферментативной сборки.

Каждый “молекулярный робот” — фермент — обычно способен на одну, реже две операции, но выполняет их сопредельной точностью. Нить целлюлозы формируется путем сшивания двух соседних участков молекулы глюкозы. Делается это за счет гидроксильных групп, находящихся в определенном положении (при углеродных атомах 1 и 4). Фермент от этих гидроксильных групп отщепляет элементы воды (Н и ОН), образовавшиеся при этом остатки глюкозы сразу же “склеиваются” в дисахарид. К этому звену точно таким же путем пришивается еще молекула глюкозы. Ферменты действуют очень быстро, в результате чего нить биополимера целлюлозы стремительно растет. Как видно из уравнения реакции, в процессе такого “скоростного шитья” выделяется вода, но она, как известно, не только не загрязняет зону строительства, но и снабжает ее очищающей влагой. Предмет “небескорыстных” устремлений животных, не способных на изготовление. Часть из них употребляет целлюлозу в пищу, другие — используют тоже как строительный материал, поэтому растение — вечная приманка множества видов, и как только “строительство” закончено, а иногда и ранее того, бегающие, летающие и ползающие существа устремляются к растению брать с него химический оброк.

Основной биополимерный продукт растения-созидателя — целлюлоза — играет важную роль во всей биосфере, и к этому мы еще возвратимся позднее, сейчас же вновь подчеркнем необычайную “чистоту строительных работ”, ведущихся на внутриклеточном и межклеточном уровнях. На более высоких эволюционных “этажах” биологического мира строительные работы далеко не всегда отличаются такой чистотой и строгостью исполнения. Если в несовершенстве построек мы не можем упрекнуть пчел, то их ближайшие родственники по классу — шмели, как и пчелы питающиеся нектаром и пыльцой, более вольно относятся к своим гнездовым сооружениям.

Шмели, живущие небольшими колониями, для складывания нектара сооружают сосуд, похожий внешними очертаниями на желудь. Такой “кувшин с медом”, не блещущий геометрическим совершенством, шмели используют не только для хранения запасов пищи на время непогоды, но и для выращивания молоди — личинок. Шмели — очень красивые и миролюбивые насекомые, однако их гнездо не поражает ни симметрией, ни порядком: ячейки разного размера хаотично нагромождены одна возле другой, часть из них разрушена. Шмели не используют дважды одну и ту же ячейку для выращивания молоди. Воздвигать же новые им приходится среди “руин ранее брошенных”. Пчелы здесь далеко ушли вперед: аналогичные проблемы решаются несравненно более изящным и экономным образом.