В вашем организме живет столько же бактерий, сколько и ваших собственных клеток тела. А пищеварительная система — особенно благоприятное место для бактерий — буквально ими набита.
Бактериями наш портативный микробиологический музей не ограничен: в организме постоянно проживает огромное разнообразие вирусов, архей, грибков и простейших. Но не торопитесь проводить дезинфекцию: микробиом — абсолютно необходимая часть организма здорового человека, без которой мы бы не смогли питаться многими продуктами, страдали бы из-за проблем с ом, а также от множества инфекций, которые обычно обходят нас стороной.
Давайте же узнаем побольше о наших микроскопических соседях, которые почти бескорыстно делают жизнь каждого человека приятнее.
Кишечник — слишком замечательное место, чтобы оставаться незаселенным. В нём тепло, в него регулярно поступает пища, он защищен от непогоды, хищников и множества других ударов судьбы. Ничего удивительного, что в кишечнике любого животного обитает множество микроорганизмов, составляющих его микрофлору (микробиом, микробиоту).
Со своей стороны животное может только позаботиться о том, чтобы микробы не размножались слишком сильно и чтобы среди микроскопических пассажиров было как можно больше полезных или хотя бы безвредных существ. Над этим нужно начинать работать прямо с рождения.
Становление микрофлоры кишечника
Новорождённые млекопитающие плохо умеют заботиться о себе и потому не могут предпринять разумных шагов по созданию в своем кишечнике благоприятной микрофлоры. Эту роль берёт на себя мать: в ее молоке содержатся не только микроорганизмы, но и антитела, иммунные клетки и цитокины, которые помогают правильно организовать взаимодействие иммунной системы младенца с его новыми спутниками жизни. Кроме того, в молоке содержатся вещества, стимулирующие рост полезных бактерий: в частности, определенные олигосахариды способствуют размножению бифидобактерий.
То, что первых микробов младенец получает от матери, сказывается на его дальнейшей жизни: микрофлора матери и ее ребенка более сходна, чем у двух случайно взятых людей. При этом бактериальные сообщества кишечника двуяйцевых близнецов сходны в той же мере, что и у однояйцевых. Поскольку генетическая информация у однояйцевых близнецов идентична, а у двуяйцевых сходна не более, чем у родившихся в разное время братьев, получается, что генетический компонент оказывает на формирование бактериальной микробиоты лишь незначительное влияние. Основной вклад в ее развитие вносят внешние условия (рис. 1).
Зоопарк в вашем животе
Генетика вносит в состав микрофлоры лишь минимальный вклад, зато обстоятельства жизни человека могут на нее повлиять очень существенно. Причем некоторым факторам — например, антибиотикам или резкой смене диеты — для этого достаточно лишь нескольких дней (правда, краткосрочные воздействия вызывают быстро обратимые изменения). Красные стрелки, направленные вверх, обозначают увеличение доли той или иной группы бактерий в кишечном микробиоме, и наоборот.
Полноценная микрофлора, разнообразие видов которой так же велико, как и у взрослых, формируется у ребенка к трем годам. До этого возраста иммунная система относится к микробам терпимее, поскольку ребенок еще только заполняет свой микрозоопарк. Это — одна из причин, по которым маленькие дети особенно чувствительны к инфекциям. Зато когда микрофлора наконец сформируется, ее преимущества окупят жертвы и опасности первых лет жизни.
Иммунитет и микробиом
Иммунная система должна обращаться с микробиотой очень аккуратно: с одной стороны, она должна позволять микробам спокойно жить в отведенном месте (кишечнике), но с другой стороны, должна оперативно реагировать, когда они нарушают установленные границы или начинают слишком активно размножаться.
Казалось бы, от этой дополнительной нагрузки на иммунную систему, которая и так должна чутко реагировать на все угрозы здоровью, поддерживать гомеостаз должно быть сложнее. Удивительно, но это не так.
Эксперименты показывают, что в отсутствие микробиоты иммунная система развивается и функционирует намного хуже. Это привело ученых к мысли, что хозяин использует микроскопических сожителей как своеобразный тренажер, который позволяет держать иммунитет в тонусе.
Чтобы проверить это, а также многие другие предположения о роли микробиоты, ученые исследуют гнотобиотических мышей — животных, которых выращивают в тщательно контролируемых условиях, так что исследователям точно известен состав их микрофлоры. У гнотобиотических мышей может или совсем не быть микробиоты, или она может состоять из строго определенного набора видов, подселенных в их организмы учеными. Выяснилось, что у мышей без микробиоты образуется меньше CD4+ T-клеток и плазматических клеток, нарабатывающих антитела IgA . А в кишечнике таких животных нарушается структура лимфоидных фолликулов — важных органов иммунной системы, в которых B-лимфоциты приобретают рецепторы, помогающие им распознавать вредоносные молекулы.
Кроме этого, микробиота необходима, чтобы научить иммунитет здоровой толерантности, благодаря чему он не пытается атаковать, к примеру, поступающую пищу.
Было показано, что активное подавление воспалительных процессов, которые могут развиваться в ответ на антигены пищи, невозможно без микробиома. Бактерии кишечника играют роль и в запуске антивирусных ответов. Большинство T-клеток, нарабатывающих интерферон-гамма (вещество, подавляющее распространение вирусов), обнаруживается в пищеварительном тракте. И именно специфические местные бактерии стимулируют синтез интерферона-гамма этими клетками.
Помимо сложных молекулярных взаимодействий, благодаря которым микробиом стимулирует иммунную систему работать эффективнее, в арсенале микробиоты есть и более простой способ помощи иммунной системе. Постоянные представители микрофлоры конкурируют с другими микробами за определенные метаболиты и просто не оставляют ресурсов для жизни посторонних, потенциально опасных микробов. Кроме того, регуляция микробиотой состава среды влияет на активности генов вирулентности патогенных микроорганизмов (например, Salmonella enterica и Clostridium difficile).
Микрофлора и питание
Микроорганизмы способны питаться такими субстратами, которые, к счастью, большинству людей и не снились. Это означает, что разнообразие пищеварительных ферментов у микробов намного выше, чем у людей. Грех этим не воспользоваться, раз уж бактерии и другие микроорганизмы неизбежно заселяют кишечник.
В пищеварительном тракте человека живут микробы, способные расщеплять целлюлозу (клетчатку) — основной сложный углевод растений. У нас в кишечнике переваривается далеко не вся целлюлоза из растительной пищи, но без микробиоты растениями было бы вообще энергетически невыгодно питаться.
Бактерии не только помогают нам расщеплять субстраты, которые мы сами не в состоянии переварить, но и синтезируют полезные соединения, которые всасываются в кишечнике вместе с пищей. Например, бактерии синтезируют витамин K, витамины группы B, а также тетрагидрофолат — кофермент, необходимый для метаболизма аминокислот.
Кроме того, бактерии помогают нам усваивать минеральные вещества — в первую очередь, железо. Мыши с нормальной микробиотой могут долгое время жить на диете с низким содержанием железа, потому что бактерии выделяют специальные белки, позволяющие с высокой эффективностью улавливать эти ионы. А вот у мышей без микробиоты при низком содержании железа в пище развивается анемия.
Интересно, что состав кишечной микрофлоры меняется в зависимости от диеты. Так, было показано, что у жителей западных стран, рацион которых богат белками и животными жирами, в микробиоте больше бактерий рода Bacteroides, а у жителей более бедных регионов (африканские деревни, Венесуэла), в которых люди питаются в основном растительными продуктами, богатыми сложными углеводами, преобладают виды рода Prevotella. Похожие изменения микробиоты, связанные с разными стилями жизни, характерны для горожан и деревенских жителей.
Сколько времени нужно, чтобы рацион повлиял на состав микрофлоры? Эксперимент американских ученых показал, что в экстремальных случаях — для диет, состоящих только из продуктов растительного или животного происхождения — достаточно и четырех дней.
География микробиома
Как оказалось, в микробиоте человека можно отследить и особенности, связанные с регионом его проживания. Например, бактерия Bacteroides plebeius, помогающая переваривать гликаны морских водорослей (нори и других) обнаруживается пока только у жителей Японии. Интересно, что ген гликозидной гидролазы, которая позволяет Bacteroides plebeius переваривать морские водоросли, был обнаружен у бактерий, постоянно живущих на таких водорослях. Очень вероятно, что именно от них этот ген попал в микробиоту японцев — путем горизонтального перенос.
У жителей Азии распространен и другой полезный микроб — Lactococcus garvieae. Эта бактерия при переваривании сои выделяет S-эквол — соединение, предотвращающее развитие климактерических симптомов и некоторых типов опухолей благодаря взаимодействию с рецепторами эстрогенов. Этим и объясняется положительный эффект употребления сои в борьбе с онкологическими заболеваниями.
Вот только бактерии, благодаря которым он проявляется, встречаются у европеоидов далеко не так часто, как у азиатов: в странах Запада — приблизительно у одного человека из четырех, а в Китае, Корее и Японии — у каждого второго.
Некоторым национальным особенностям микробиома еще не найдены объяснения. Например, пока непонятно, почему у итальянцев в два-три раза больше бифидобактерий, чем у жителей других европейских государств.
Тем не менее такие характерные особенности микробиома интересно изучать: даже если их причины не ясны, они могут многое рассказать об истории человечества.
Региональные различия начинают проявляться с самого раннего возраста. Так, было показано, что у шестимесячных финнов и жителей африканской республики Малави доли бифидобактерий, представителей Bacteroides-Prevotella, а также патогена Clostridium histolyticum различаются в разы.
Получается, что регион, в котором родился ребенок, имеет большое значение для его будущего микробиома.
Микробиом и болезни
Микробные сообщества, населяющие наш организм, богаты видами и сложно устроены.
Особенно это характерно для кишечника, в котором и число видов бактерий, и плотность микробов на единицу пространства впечатляюще велики. В кишечнике каждого человека образуется отдельная экосистема со сложными петлями обратной связи, которые контролируют численность различных микробов. Нарушения благоприятного видового баланса могут приводить к самым разным проблемам со здоровьем.
Например, было установлено, что при ожирении снижается разнообразие видов микрофлоры кишечника (рис. 2). Причем эксперименты показывают, что изменения микрофлоры относятся к причинам ожирения, а не к его следствиям.
Если кишечник мышей без микробиоты заселить бактериями мышей с ожирением, животные будут набирать вес быстрее, чем в случае пересадки кишечной микробиоты худых мышей.
Зная лишь состав микробиоты, можно определить, есть ли у человека ожирение, с вероятностью 90%.
Зоопарк в вашем животе
Целый ряд работ показал, что изменение микрофлоры кишечника у людей и животных с ожирением — это не следствие, а одна из причин появления лишнего веса. По сравнению с микрофлорой людей с нормальным весом, микрофлора людей с ожирением беднее, и соотношение бактерий разных групп в ней иное. Обладатели такой микрофлоры быстрее набирают вес, чем «обычные» люди, даже при абсолютно одинаковых рационах.
Разнообразие микробиоты кишечника снижается и при рецидивирующем псевдомембранозном энтероколите, и при хронических воспалительных заболеваниях кишечника. При болезни Крона, относящейся к последним, в подвздошной кишке исчезают обычно многочисленные представители Faecalibacterium и Roseburia, а их место занимают Enterobacteriaceae и Ruminococcus gnavus.
С изменением бактериального состава кишечной микрофлоры удается связать заболевания, не имеющие прямого отношения к пищеварению. Так, для пациентов с симптомами атеросклероза характерно увеличение доли кишечных бактерий Collinsella за счет уменьшения доли Roseburia и Eubacterium, а наличие бактерий Helicobacer pylori снижает вероятность развития астмы и аллергии.
Интересно, что патогенные штаммы той же Helicobacer pylori провоцируют развитие гастрита (как минимум). Именно поэтому недостаточно знать видовой состав микробов кишечника, чтобы делать выводы о здоровье человека, а нужно учитывать еще и их штаммы — внутривидовые группы, которые могут очень сильно отличаться по патогенности и другим свойствам.
Исследования на мышах показали, что и присутствие патогенных бактерий в пищеварительном тракте, и развитие воспалительных заболеваний кишечника повышают у животных тревожность.
Антибиотики и микрофлора
Антибиотики (антибактериальные препараты) действуют не только на патогенных микробов, но и на полезных представителей микробиома, существенно влияя на организм.
Принимая антибиотики, можно изменить стабильное состояние микробиоты, причем эффект может сохраняться годами. Поддерживается стабильным не только состав микробного сообщества, установившийся после употребления антибиотиков, но и экспрессия его членами генов устойчивости к антибиотикам — то есть со временем бактерии не теряют резистентность к лекарствам.
В отсутствие селективного давления гены устойчивости распространяются среди кишечных бактерий слабо, но если употреблять антибиотики, эффективность горизонтального переноса повысится, а значит, активнее будут передаваться и гены устойчивости.
Кроме того, антибиотики — один из видов стресса, запускающих SOS-репарацию, которая ведет к возникновению множества мутаций и появлению новых генов устойчивости.
Поэтому антибиотики не только способствуют росту устойчивых популяций бактерий, но и создают новые, благоприятствуя горизонтальному переносу генов и появлению новых типов устойчивости.
В долгосрочной перспективе любое употребление антибиотика приближает срок, когда он из эффективного препарата превратится в бесполезное вещество. В том числе и поэтому антибиотики лучше принимать только в случае крайней необходимости и по рецепту врача. Истощение микробиома антибиотиками не только приводит к неприятным симптомам (например, диарее), но и снижает устойчивость всего сообщества к патогенным бактериям.
Про- и пребиотики
Про- и пребиотики — это препараты, которые могут способствовать восстановлению микрофлоры после ее нарушения, например, из-за приема антибиотиков.
Пробиотики — это культуры полезных микроорганизмов, чаще всего к ним относят бифидо- и лактобактерий.
Пребиотики — это вещества (субстраты), стимулирующие рост таких бактерий: например, инулин, олигосахариды фруктозы и галактозы, пищевые волокна (в частности, полисахариды, которые человек не способен переварить без помощи бактерий).
Пребиотики выпускают в виде пищевых добавок, но они и так в больших количествах содержатся во многих продуктах, с помощью которых можно поддержать рост полезных бактерий: в злаках, цикории, бобовых, чесноке, луке, бананах.
Пробиотики также продают в виде специальных препаратов (БАДов), но их можно приобрести и в составе различных кисломолочных продуктов с бифидо- и лактобактериями.
Производители йогуртов активно финансируют исследования эффектов пробиотиков на самые разные аспекты жизни человека. В таких случаях часто можно ожидать сильного перекоса в публикации результатов: афишироваться будут в основном выгодные спонсорам результаты, а нейтральные или отрицательные данные останутся неизвестными общественности.
Действительно, есть основания думать, что опубликованные данные о положительных эффектах пробиотиков слишком хороши, даже если считать все опубликованные результаты полученными честно. В частности, работ, в которых эффект пробиотиков несколько слабее среднего по всем исследованиям, публикуется меньше, чем должно. Поэтому, читая о пробиотиках, нужно помнить, что нам, скорее всего, предлагают не всю информацию об их эффектах.
Тем не менее то, что известно, выглядит очень неплохо. Согласно некоторым исследованиям, пробиотики помогают при синдроме раздраженного кишечника, диарее, вызванной антибиотиками или химиотерапией, энтероколите и непереносимости лактозы.
Благоприятным влиянием на пищеварение положительные эффекты пробиотиков не ограничиваются. Было показано, к примеру, что препараты штаммов Lactobacillus. помогают бороться с тревожностью, если начать употреблять их на ранних стадиях долгосрочного стресса. Микрофлора влияет на уровень кортикостерона — главного гормона стресса, — поэтому пробиотики могут помочь почувствовать себя лучше не только физически, но и морально.
Пересадка микробиоты
Пробиотики рассчитаны на употребление с пищей — то есть бактерии должны успешно пройти через желудок с агрессивной кислой средой, чтобы добраться до места назначения. Это не очень эффективный способ доставки, и значительная часть бактерий в составе препаратов-пробиотиков может не пережить такого путешествия. Поэтому иногда донорскую микробиоту (в виде гомогенизированных фекалий) с помощью колоноскопии подсаживают прямо в ту часть кишечника, где она должна находиться. Это значительно эффективнее доставки бактерий с пищей, но и намного более трудоемко, так что данных о такой терапии пока мало.
Тем не менее уже известно, что этим методом успешно лечится псевдомембранозный энтероколит, причем с помощью простой фекальной клизмы еще полвека назад удавалось справиться с его молниеносными формами, смертность при которых достигала 75%.
Известны также единичные случаи использования пересадки микробиоты для лечения синдрома раздраженного кишечника, разных воспалительных заболеваний кишечника, а также метаболического синдрома.
Микробиота и рак
Особо тяжелые формы заболеваний, связанных с появлением патогенных бактерий или нарушением баланса видов микрофлоры, могут приводить к возникновению рака.
Например, атрофический гастрит и иногда образующийся при развитии этого заболевания рак связывают с размножением патогенных штаммов бактерий Helicobacter pylori. А многие случаи рака толстой кишки — с размножением Fusobacterium spp., Streptococcus gallolyticus, некоторых представителей семейства Enterobacteriaceae и энтеротоксигенных штаммов Bacteroides fragilis.
Посредством микробиоты может привести к раку даже нездоровое питание: при высоком содержании в пище жиров бактерии начинают производить больше дезоксихолевой кислоты, способствующей развитию рака печени.
Риск образования рака при нарушении нормальной микробиоты — еще одна причина, по которой важность заботы о микроскопическом населении организма человека сложно переоценить. Хорошая новость состоит в том, что риск развития рака, связанного с бактериями пищеварительного тракта, можно предсказать, исследуя микробиом.
Даже если ситуация вышла из-под контроля, микрофлора всё же может помочь организму бороться с онкологией. Описан, к примеру, такой механизм: от действия химиотерапевтического препарата циклофосфамида страдают не только опухолевые клетки, но и клетки кишечника. Микроорганизмы выходят наружу, а иммунная система активизируется, чтобы справиться с распространением микрофлоры за пределы кишечника. При этом усиленная активность иммунной системы помогает организму бороться с раком.
Микробиота и лекарства
В последнее время обнаруживается всё больше лекарств, на эффект которых влияет микробиота. Бактерии могут модифицировать молекулы лекарства, влияя на их метаболизм. А иногда такие модификации просто необходимы, чтобы лекарства работали.
Интересный пример — это некоторые средства восточной медицины, не действующие на людей, у которых нет определенных бактерий в составе микрофлоры. Например, женьшень не оказывает благоприятного противовоспалительного эффекта приблизительно на одного человека из пяти.
Состав бактерий кишечника определяет эффективность действия популярного анальгетика парацетамола (ацетаминофена). Его метаболизм зависит от уровня p-крезола — микробного метаболита, который конкурирует с парацетамолом за связывание с ферментом, присоединяющим сульфогруппу. Чем больше микробного p-крезола, тем реже сульфогруппы присоединяются к молекулам парацетамола.
Некоторые бактерии кишечника и сами производят вещества с лекарственными свойствами. Например, Clostridium sporogenes выделяет индол-3-пропионовую кислоту — антиоксидант и потенциальное средство против болезни Альцгеймера.
Исследовать и улучшить микробиом сегодня
Микробиом сложно устроен и влияет на многие аспекты здоровья человека. При этом он очень чутко реагирует на смену условий и особенно на изменения рациона. Поэтому через микробиоту можно безболезненно улучшить состояние организма, достаточно лишь узнать ее актуальные характеристики и подобрать подходящий режим питания.
Оценить состояние микробиоты, а также получить индивидуальные рекомендации по питанию позволяет новый тест «Генетика микробиоты» от компании Atlas. Состав и соотношение микробов кишечника оцениваются по анализу их ДНК. Каждый участник сдает биоматериал и в результате получает данные о состоянии микробиоты и персональные рекомендации диетолога-нутрициолога.
С помощью индивидуально подобранной диеты вы сможете показать своей микробиоте, как много она для вас значит, и отблагодарить ее за заботу о вашем здоровье.
Если эта статья на нашем сайте , была для вас полезна, то предлагаем вам книгу с Рецептами живого, оздоравливающего питания. Веганские и сыроедческие рецепты . А так же предлагаем вам подборку самых лучших материалов нашего сайта по мнению наших читателей. Подборку - ТОП лучших статей об здоровом образе жизнии здоровом питании вы можете найти там, где вам максимально удобноСредой называют всё то, что окружает живое существо в природе. На Земле существуют четыре основные среды обитания, освоенные и заселённые организмами. Это наземно-воздушная среда, водная, почвенная, и, наконец, одни живые организмы могут являться средой обитания для других (рис. 10). Каждая из этих сред имеет свои специфические условия жизни. Каждый живой организм приспосабливается к среде обитания и к специфическим условиям жизни, в которых ему приходится существовать.
Этим объясняется большое многообразие живых организмов на нашей планете. Наземно-воздушная среда более сложна и разнообразна по сравнению с другими средами (см. рис. 10).
Рис. 10. Среды обитания организмов
Наибольшее значение для живущих в ней организмов имеют свойства и состав воздушных масс. Плотность воздуха гораздо ниже плотности воды, поэтому у наземных организмов сильно развиты опорные ткани - внутренний и наружный скелет.
Температура воздуха может меняться очень быстро и на больших пространствах, поэтому живущие на суше организмы имеют многочисленные приспособления, позволяющие выдерживать резкие перепады температуры.
Важное значение для наземных организмов имеет химический состав воздуха. Поэтому загрязнение воздуха оказывает негативное воздействие на организмы.
У наземных организмов, живущих в условиях различной влажности, также выработались специальные приспособления.
Вода служит средой обитания для многих организмов (рис. 11). Из воды они получают всё, что необходимо им для жизни. Водные организмы очень разнообразны, но все их особенности строения и приспособления определяются физическими и химическими свойствами воды.
Рис. 11. Обитатели водной среды
Вода обладает выталкивающей силой, её плотность больше, чем у воздуха. Это свойство позволяет многим организмам парить в толще воды. К ним относятся как множество мелких растений и животных, так и достаточно крупные организмы, например медузы. У активных пловцов (рыбы, дельфины, киты и др.), как правило, обтекаемая форма тела, а конечности в виде плавников или ласт. Многие водные организмы ведут малоподвижный или даже прикреплённый образ жизни, например коралловые полипы.
Вода способна накапливать и удерживать тепло, в связи с этим в воде не бывает таких резких колебаний температуры, как на суше.
Животные заселили всю толщу воды, вплоть до самых глубоких океанских впадин. Растения живут только в верхних слоях воды, куда проникает солнечный свет.
Большое значение для водных организмов имеет солевой состав воды.
Почва - верхний рыхлый плодородный слой суши (рис. 12). Она состоит из неорганических веществ - минеральных веществ, воды и воздуха, а также содержит много органического вещества - остатки растений и животных, продукты их разложения (перегной). В почве обитают бактерии, грибы, черви, насекомые и их личинки и даже такие крупные животные, как кроты и землеройки (см. рис. 12).
Рис. 12. Обитатели почвы:
1 - простейшие; 2 - дождевые черви; 3 - проволочники; 4 - мелкие членистоногие (клещи, коллемболы, лжескорпионы); 5 - грибы; 6 - нематоды; 7 - личинки насекомых
Огромную роль играет почва в жизни растений. Почва обладает особым свойством - плодородием, способностью обеспечивать растения питательными веществами и влагой, создавать условия для их жизнедеятельности. Чем больше в почве минеральных веществ и перегноя, тем она плодороднее. От плодородия почвы зависит урожай возделываемых культур.
Почва постепенно истощается из-за того, что каждый урожай уносит из почвы какое-то количество минеральных веществ. Чтобы восполнить их содержание, в почву вносят органические и минеральные удобрения.
Тела живых организмов могут служить средой обитания для других организмов (рис. 13). Условия жизни внутри другого организма характеризуются большим постоянством по сравнению с жизнью в других средах. Поэтому организмы, находящие себе место в теле растений или животных, часто полностью утрачивают органы и даже системы органов, необходимые свободноживущим видам. Об этих взаимоотношениях организмов вы узнаете, далее изучая биологию.
Рис. 13. Организм как среда обитания
Новые понятия
Водная среда. Наземно-воздушная среда. Почва как среда обитания. Организм как среда обитания
Вопросы
- Какие среды обитания живых организмов вы знаете?
- Какие свойства характерны для водной среды обитания?
- Почему считают, что наземно-воздушная среда более сложная и разнообразная, чем водная?
- Что такое почва?
- Какова роль почвы в жизни растений?
- В чём состоят основные особенности организмов, использующих тела других организмов как среду обитания?
- Какие вы знаете организмы, живущие внутри других организмов? Ощущали ли вы влияние таких обитателей на себе?
Подумайте
Почему организмы, обитающие в наземно-воздушной среде, более многообразны, чем обитатели водной?
Задания
Составьте план параграфа.
Все существующие на земле предметы могут быть разделены на два рода тел. К одному роду относятся живые тела или, как их называют иначе, организмы, например лошадь, курица, береза. К второму роду принадлежат не живые или неорганические тела, например железо, поваренная соль, камень и т.д. Так как к живым организмам относятся и растения, которые не могут ни двигаться, ни чувствовать, например видеть или слышать, то эти две способности, т.е. способность двигаться и чувствовать нельзя считать общим свойством всех живых организмов.
Не только растения, но и некоторые животные всю жизнь или часть жизни остаются на одном и том же месте, прикрепившись, например к камню. Другие животные, подобно растениям, лишены способности чувствовать; таковы, например, . Общим свойством всех живых организмов, будь ли то животные или растения, надо считать способность к так называемому обмену веществ, а обмен веществ заключается в следующем: вещество, из которого состоит тело живого организма, постоянно и медленно разрушается и постоянно возобновляется из того материала, который поступает в организм в виде пищи.
Разрушение вещества живых организмов происходит по следующей причине. В состав тела всех животных и растений входить вещество, называемое углеродом (в составе так называемых органических веществ). Этот углерод отличается стремлением соединяться с кислородом, а кислород находится в воздухе и в . Углерод, находящейся в теле живого организма и входящей в состав белка, углеводов, жира, соединяется с кислородом воздуха или с кислородом, растворенным в воде. В результате такого соединения, или, иначе, медленного окисления, получается газ, называемый углекислым газом; этот газ и выделяется из организма. Известно, что и горение какого-нибудь органического предмета, например, дерева, в сущности такое же соединение углерода горящего предмета с кислородом воздуха, при чем получается тот же углекислый газ, который уносится с дымом в . Таким образом в теле живого организма происходит нечто подобное горению с той лишь разницей, что это горение происходит медленно и потому не сопровождается выделением столь большого количества тепла, как это бывает при настоящем горении. Вместо окисленных частиц, выдыхаемых или выделяемых в воздух в виде углекислого газа, в организм поступают новые частицы, который получаются из пищи. Стало быть, каждый организм, в том числе и каждый человек, в настоящее время состоит не из тех частиц, из которых он состоял несколько лет назад; точно так же и по прошествии нескольких лет организм будет состоять из других, новых частиц.
Доказать существование такого обмена веществ в организмах можно на примере любого животного. Если, к примеру, собаку не кормить, то она станет худеть и терять вес. Очевидно, ее тело теряет какое-то вещество и потому уменьшается вес. Тело собаки из нашего примера теряет углерод, который соединяется с кислородом воздуха, попадающего в организм через легкие, когда собака дышит. В результате соединения углерода с кислородом получается углекислый газ, который и выделяется в воздух теми же легкими. Если же собаку кормить, эти отделяющиеся от ее организма частицы углерода возобновляются из пищи, поэтому, несмотря на то, что медленное сгорание частиц организма собаки совершается постоянно, тело ее может и не уменьшаться в весе.
В таком обмене веществ заключается главное свойство всех живых организмов в отличие от предметов неживых. В неживых телах обмена веществ не существует. Каждый камень в настоящее время состоит из тех же частиц, из которых он состоял и во время своего появления на земле. Если количество веществ, поступающих в организм из пищи, равно тому количеству, какое выделяется из организма вследствие их медленного окисления, то вес и размер организма не изменяются и в организме устанавливается равновесие. Если же количество веществ, воспринимаемых организмом из пищи, больше того количества, которое выделяется, то организм увеличивается в весе и размере, или, как говорят, организм растет.
Способность расти это вторая особенность живых организмов в отличие от неживых тел. Камни и вообще все неживые тела не могут расти так, как растут живые организмы. Если ком снега катать по снегу, то ком будет увеличиваться, то есть тоже расти, но этот рост будет только внешним. На поверхность снежка будут прилипать новые частицы снега, частицы же первоначального кома останутся прежними, сколько бы мы ни катали этот ком по снегу. Между тем, когда растет организм, частицы его отделившихся частей вследствие обмена веществ обновляются, то-есть заменяются новыми. Поэтому рост организма происходить не оттого, что снаружи на его поверхности налепляются новые частицы, а оттого, что каждая часть его тела соответственным образом увеличивается в размерах. В течение роста ребенка растут и внутренняя части его тела, например, сердце, легкие, мозг и прочее. В отличие от возможного внешнего роста неживых тел, рост живых организмов мы можем назвать внутренним.
Способность размножаться составляет третью особенность живых организмов в отличие от неживых тел. Нет надобности пояснять, что неживые предметы, например, камни, размножаться не могут.
Таким образом организмы отличаются от неживых тел тем, что они могут питаться, расти и размножаться , при чем способность расти и размножаться является следствием способности к обмену веществ, потому что, если бы не было способности к обмену веществ, то не было бы и роста организмов, а если бы не было роста, то не было бы и размножения.
Клетки живого организма
Каждый организм, возьмем ли мы животное или растение, состоит из одного или гораздо чаще из большого числа мельчайших пузырьков или ячеек, наподобие пузырьков пены. Эти ячейки стали называть клетками. В организмах, тело которых состоит из большого числа этих ячеек, клетки соединяются друг с другом стенками, вследствие чего получается ячеистая масса, получившая название . Ткань по устройству больше всего похожа на пену. Подобно тому, как в мыльной пене отдельные ячейки прилепляются друг к другу стенками и образуют массу пены, так и в тканях живых организмов отдельные клетки, скрепляясь друг с другом, образуют ткань, а из разных видов тканей составлено все тело живого организма. В отличие от ячеек пены, клетки организма, по большей части, бывают крошечной величины, так что увидеть их можно только при большом увеличении, если смотреть на них через микроскоп.
Внутри клеток находится полужидкое слизистое вещество, получившее название протоплазмы. Эта протоплазма имеет все те свойства, которые отличают живые тела от тел неживых. Именно она может питаться, расти и размножаться, и таким образом представляет из себя живую слизь. Некоторые организмы и состоят из одного единственного комочка протоплазмы микроскопической величины.
Протоплазма состоит из так называемых белков, образцом которых может служить куриного яйца. Кроме того, в протоплазме находятся вода и различный минеральные вещества, то есть вещества, относящиеся к неживой природе, например поваренная соль, соли различных и т.д. Белки же, в свою очередь, состоят из следующих простых веществ, то есть таких веществ, которые разлагаться на составляющие части не могут: из кислорода, углерода, азота и серы.
Отсюда видно, что протоплазма так же, как и вообще тело любого живого организма, состоит из самых обыкновенных простых веществ, находящихся всюду в природе и встречающихся также и в телах неживых. Кислород находится в воздухе и воде, углерод в виде углекислого газа в воздухе и в различных камнях или минералах, водород в воде, азот в воздухе, сера в различных минералах. Стало быть, нет ни одного простого, то есть неразложимого на составляющие, вещества, которое встречалось бы только в живых организмах и не встречалось в телах неживых. Зная это, мы можем сделать предположение, нельзя ли живую протоплазму приготовить искусственно, или, по крайней мере, не могут ли тела неживые сами собой превращаться в живую протоплазму. Хотя в настоящее время и удалось синтезировать искусственно многие органические вещества, аналогичные находящимся в живых организмах, например, сахар, жир и другие продукты органической химии, но до сих пор не удалось сделать искусственно не только живую протоплазму, но и ее главную составную часть, то-есть белковые вещества. Еще недавно думали, что некоторые низшие животные могут рождаться сами собой из веществ неживых. Если, например, в стакан с водой положить измельченное сено или траву, то через несколько дней в этой воде появляется множество крошечных животных, называемых инфузориями. Одно время думали, что эти инфузории заводятся сами собой. Однако впоследствии было доказано, что они появляются в такой воде первоначально в виде зародышей, а зародыши инфузорий переносятся с пылью в воздухе, и попав в благоприятную среду с питательными веществами (сено в воде) начинают быстро расти и размножаться.
Отличия живой и неживой природы
Знаменитый французский физиолог, Клод Бернар первый определил совокупность признаков, резко отличающих жизненные явления от явлений, происходящих в мертвой природе. Основные свойства живых существ - следующие:
1) Организация. Тело живых существ, т. е. животных и растений, построено согласно определенному архитектурному плану, между. тем как в мертвой природе только у кристаллов есть строение, выражающееся в оптических и других свойствах кристаллических тел. Особую важность мы придаем не внешней, видимой организации живых существ, но тонкому, невидимому для нас строению протоплазмы, - основного живого вещества, которое носит в себе все жизненные свойства как и у больших, высоко организованных животных и растений, так и у мельчайших, живых существ, состоящих из микроскопически малого, по виду однородного комочка слизи.
2) Воспроизведение. Всякое живое существо происходит от других живых существ, своих родителей, и в свою очередь способно давать происхождение новым живым существам, передавая им при этом по наследству свои отличительные признаки. Как священный огонь Весты, жизнь передается преемственно.
3) Развитие. Растения и животные начинают свою жизнь в виде крошечного зародыша и затем проходят определенные ступени развития, приводящего их к состоянию взрослого организма, причем, в большинстве случаев, объем тела организма увеличивается и строение усложняется.
4) Питание - представляет собой необходимое условие развития, как явления, связанного с увеличением объема и веса, а также с развитием новых органов и частей тела. Для построения этих органов необходим приток новых материалов. Действительно, каждый живой организм обладает способностью потреблять питательные вещества и путем разнообразных химических превращений перерабатывать их соответственно со своими потребностями. На основании этого, ученые нередко сравнивали организм с химической фабрикой. Как для поддержания работы фабрики необходимо сжигать определенное количество какого-либо топлива, так и для поддержания непрерывной деятельности организма необходимо сжигать часть питательных материалов; это физиологическое сжигание называется дыханием. Итак, вещества, которые усваиваются организмом при питании, частью перерабатываются для построения различных тканей и органов, частью же сжигаются для поддержания различных работ, совершаемых в организмах живых существ.
5) Ограниченность существования во времени. Из предшествующего видно, что живой организм во многом напоминает сложный механизм. Всякий механизм в конце концов изнашивается и перестает выполнять свои функции. В живом организме, с течением времени, также начинает обнаруживаться ухудшение работы отдельных частей и органов, происходит нарушение взаимосвязей органов и, вследствие этого, наступает ослабление жизнедеятельности, которое мы называем дряхлостью. В дальнейшем дряхлость все усиливается; наконец, расстройство внутренних связей достигает уже такой степени, при которой никакая жизненная деятельность невозможна. Наступает то, что мы называем естественной смертью организма.
Возникновение живых организмов
Как видно из только что сказанного, живые существа обладают такими своеобразными особенностями, что вполне естественна и понятна преемственность жизни, отмеченная в признаке «воспроизведение». Как ни удивительно для нас явление наследственности, было бы все-таки еще гораздо удивительнее, если бы все отличительные организма могли сами собой устанавливаться при каждом новом рождении.
В связи с этими соображениями, во все эпохи культурного существования человечества умы мыслителей и естествоиспытателей постоянно интересовал вопрос: как же появилась жизнь на земле впервые? Ведь было такое время, когда наша планета носилась в мировом пространстве, лишенная любого проявления жизни. Это мы можем уверенно утверждать на следующем основании. Материалом для построения тела животных и растений служат так называемые органические вещества, обладающие свойством, при наступлении достаточно высокой температуры, гореть и при горении распадаться на простые минеральные вещества. Между тем, в начале своего существования находилась в огненно-жидком состоянии; на ее поверхности царила такая высокая , с которой не могут сравниться никакие современные плавильные печи. Очевидно, при таких условиях не было возможно не только существование живых организмов, но даже и материалов, из которых строится их тело. Жизнь на земле могла появиться только после ее охлаждения. Не было ли связано это появление жизни с созданием живого из мертвого? Некоторые ученые считали возможным не только признавать такое положение, но даже идти дальше и допускать, что зарождение жизни среди неодушевленной природы постоянно происходит и в настоящее время. Эта гипотеза носит название «гипотезы самозарождения».
В древние и средние века вера в самозарождение была весьма распространена. Предполагалось, что такие животные, как мыши и лягушки, поражающие своим быстрым размножением, могут происходить путем самозарождения. Относительно возможности подобного способа происхождения многих насекомых и особенно червей в разлагающемся мясе никто не сомневался.
Однако, уже в XVII столетии все эти предположения были опровергнуты. Изучение истории развития животных обнаружило, чем вызывается их размножение. Особенно убедительны были опыты Реди. Он показал, что мясо, плотно покрытое тканью, никогда не содержит в себе червей. Эти черви представляют собой не что иное, как личинки мух, и если преградить мухам доступ к мясу, то оно, правда, все-таки загнивает, но черви в нем не развиваются.
Под средой обитания понимают пространство, используемое живыми организмами для существования. Таким образом, тема имеет прямое отношение к вопросу о жизнедеятельности любого существа. Существует четыре типа сред обитания, кроме того, присутствуют разнообразные факторы, преобразующие внешнее влияние, поэтому их также необходимо рассматривать.
Определение
Итак, что же такое среда обитания животных? Определение появилось еще в девятнадцатом веке - в работах русского физиолога Сеченова. Каждый живой организм постоянно взаимодействует с окружающими явлениями, которые было решено называть средой. Ее роль имеет двойственную природу. С одной стороны, все жизненные процессы организмов связаны с ней напрямую - так животные получают пищу, на них влияют климат, С другой, их существование оказывает не меньшее влияние на среду, во многом определяя ее. Растения поддерживают баланс кислорода и затеняют почву, животные делают ее более рыхлой. Практически любое изменение вызывают живые организмы. Среда обитания нуждается в комплексном изучении каждым, кто хочет иметь представление о биологии. Важно также знать, что некоторые существа могут жить в разных условиях. Земноводные рождаются в водной среде, а зимуют и питаются нередко на суше. Жуки, живущие в воздухе, часто нуждаются в почве или воде для размножения.
Вода
Водная среда - это совокупность всех океанов, морей, ледников и континентальных вод нашей планеты, так называемая гидросфера, кроме того, иногда в нее включают также снега Антарктики, атмосферные жидкости и те, что содержатся в организмах. Она занимает более семидесяти процентов поверхности с основной массой в океанах и морях. Вода является неотъемлемой частью биосферы, причем не только водоемов, но и воздуха, и почвы. Любому организму она необходима для выживания. Более того, именно вода отличает Землю от соседних планет. Кроме того, она сыграла ключевую роль в развитии жизни. Она аккумулирует органические и неорганические вещества, переносит тепло, формирует климат и содержится как в животных, так и растительных клетках. Именно поэтому водная среда - одна из наиболее важных.
Воздух
Смесь газов, образующая атмосферу Земли, играет важнейшую роль для всех живых организмов. Воздушная среда обитания направляла эволюцию, так как кислород формирует высокий метаболизм, что определяет структуру органов дыхания и системы водно-солевого обмена. Плотность, состав, влажность - все это имеет серьезное значение для планеты. Кислород образовался два миллиарда лет назад в процессе вулканической деятельности, после чего его доля в воздухе стабильно увеличивалась. Современная среда обитания человека отличается 21%-м содержанием этого элемента. Важной ее частью также является озоновый слой, который не позволяет ультрафиолетовой радиации добраться до поверхности Земли. Без нее жизнь на планете могла бы быть уничтожена. Сейчас безопасная среда обитания человека находится под угрозой - озоновый слой разрушается из-за негативных экологических процессов. Это приводит к необходимости сознательного поведения и постоянного выбора лучших не только для людей, но и для Земли решений.
Почва
В земле обитают многие живые организмы. Среда обитания также используется растениями, которые служат пищей для большинства живых существ планеты. Невозможно однозначно определить, является ли почва неживым образованием, поэтому ее называют биокосным телом. Согласно определению, это вещество, которое переработано в процессе жизнедеятельности организмов. Почвенная среда обитания состоит из твердой массы, включающей песок, глину, илистые частицы; жидкой составляющей; газообразной - это воздух; живой - это существа, ее населяющие, всевозможные микроорганизмы, беспозвоночные, бактерии, грибы, насекомые. На каждом гектаре земли проживает пять тонн таких форм. Почвенная среда обитания является промежуточной между водной и наземно-воздушной, поэтому и обитающие в ней организмы часто отличаются комбинированным типом дыхания. Встретить таких существ можно даже на внушительной глубине.
Взаимодействие организмов и среды
Каждое существо отличается от присутствием обмена веществ и клеточной организации. Взаимодействие со средой происходит постоянно и должно изучаться комплексно в силу сложности процессов. Каждый организм напрямую зависит от происходящего вокруг. Наземно-воздушная среда обитания человека влияет на него осадками, почвенными условиями и диапазоном температур. Некоторые из процессов полезны для организма, некоторые безразличны, а другие приносят вред. У каждого есть отдельное определение. Например, гомеостаз - постоянство внутренней системы, которым отличаются живые организмы. Среда обитания может меняться, что требует адаптации - движений, роста, развития. Метаболизм - обмен веществ, сопровождающийся химическими реакциями, например дыханием. Хемосинтезом называют процесс создания органики из соединений серы или азота. Наконец, стоит запомнить определение онтогенеза. Это совокупность преобразований организма, на которые влияют все факторы среды обитания за весь период его существования.
Экологические факторы
Для лучшего понимания биологических процессов необходимо также изучить это определение. являются комплексом окружающих условий, которые воздействуют на живой организм. Они подразделяются согласно сложной классификации на несколько видов. Приспособление к ним организма называют адаптацией, а его внешний облик, отражающий факторы среды обитания, носит наименование жизненной формы.
Биогенные вещества
Это один из видов экологических факторов, влияющих на живые организмы. Среда обитания содержит соли и элементы, поступающие с водой и пищей. Биогенными из них являются те, которые в больших количествах необходимы для организма. Например, это фосфор, важный для образования протоплазмы, и азот, основа для белковых молекул. Источником первого являются отмершие организмы и горные породы, а второго - атмосферный воздух. Недостаток фосфора влияет на существование почти так же остро, как отсутствие воды. Немного уступают по значению такие элементы, как кальций, калий, магний и сера. Первый необходим для раковин и костей. Калий обеспечивает работу нервной системы и рост растений. Магний входит в молекулы хлорофилла и рибосом, а сера - в состав аминокислот и витаминов.
Абиотические факторы среды
Есть и другие процессы, воздействующие на живые организмы. Среда обитания включает такие факторы, как свет, климат и подобные, являющиеся по определению абиотическими. Без них невозможны процессы дыхания и фотосинтеза, обмен веществ, сезонные перелеты, размножение многих животных. В первую очередь, важен свет. Учитываются его длина, интенсивность и продолжительность воздействия. По отношению к нему выделяется целая классификация, которую изучает биология. Среда обитания, наполненная светом, нужна гелиофитам - луговым и степным злакам, сорнякам, растениям тундры. Сциофитам необходимы тень, они предпочитают жить под пологом леса - это лесные травы. Факультативные гелиофиты могут адаптироваться к любым условиям: к такому классу относятся деревья, земляника, герань. Не менее важным фактором является температура. У каждого организма есть определенный диапазон, комфортный для жизнедеятельности. Вода, присутствие химикатов в почве и даже пожары - все это тоже касается абиотической сферы.
Биотические факторы
Антропогенный фактор
Водная, воздушная или наземная среда обитания всегда связаны с деятельностью человека. Люди интенсивно изменяют окружающий их мир, сильно влияя на его процессы. К антропогенным факторам можно отнести каждое воздействие на организмы, ландшафт или биосферу. Оно может быть прямым, если направлено на живых существ: например неправильные охота и рыболовство подрывают численность некоторых видов. Другим вариантом является косвенное воздействие, когда человек меняет ландшафт, климат, состояние воздуха и воды, строение почвы. Сознательно или бессознательно, но человек уничтожает многие виды животных или растений, при этом культивируя другие. Так появляется новая среда. Существуют также случайные виды воздействия, например внезапный завоз чуждых организмов с грузом, неправильное осушение болот, создание плотин, распространение вредителей. Впрочем, некоторые существа вымирают и без всякого участия человека, поэтому обвинять людей во всех экологических проблемах просто несправедливо.
Лимитирующие факторы
Всевозможное влияние, оказываемое на организмы со всех сторон, проявляется в разной степени. Иногда ключевыми оказываются вещества, которые требуются в минимальном количестве. Соответственно этому был разработан Он предполагает, что самым слабым звеном в цепи потребностей организма считается его выносливость в целом. Таким образом, если в почве есть все элементы, кроме одного, необходимого для роста - урожай будет плохим. Если добавить лишь недостающий, оставив все прочие в прежнем количестве - он станет лучше. Если же добавлять все остальные, не исправляя нехватку, никаких изменений не произойдет. Недостающий элемент в такой ситуации и будет лимитирующим фактором. Впрочем, стоит учитывать и максимум воздействия. Его описывает закон толерантности Шелфорда, предполагающий, что есть лишь определенный диапазон, в котором фактор может оставаться благотворным для организма, в избытке же он становится вредоносным. Идеальные условия называются зоной оптимума, а отклонения от нормы - угнетения. Максимумы и минимумы воздействий носят наименование критических точек, за которыми существование организма попросту невозможно. Степени толерантности к тем или иным условиям различны для каждого живого существа и позволяют относить их к более или менее выносливым разновидностям.