Господин Свещаров Биология за всички

Вечната младост на организмите
Съществуването на „вечната младост“ на Земята е неоспорим факт, но за съжаление тя е привилегия само за едноклетъчните организми, за протистите*. От гледна точка на собственото си възпроизвеждане те са повече от изумителни, заради което мнозина биолози се питат не са ли протистите единствените безсмъртни същества на нашата планета? Защото наистина не може да се говори за смърт при живи същества, които се размножават чрез делене. Съществуващата една клетка — цял организъм — се разделя на два индивида, които след достигане на определена възраст се делят на още два, но никой от тях не е баща на другия. Това делене продължава до безкрайност и смърт може да настъпи само при сериозен биологичен катаклизъм, при който загива цялата популация и даже биологичен вид протисти (фиг. 22).

[* Всъщност „вечната младост“ при протистите е по-скоро „смърт без труп“ (бел.авт.).]

{img:biologija_za_vsichki_f23_chehylche.png|#Фиг.22. Първаците притежават тайната на вечната младост.}

Дълго време биолозите се мъчеха да си обяснят тайната на това относително безсмъртие. На помощ им дойдоха лабораторните изследвания върху живота на първаците. Те установиха, че колония, получена от един единствен индивид, започва да „запада“ и се изражда, като в края на краищата умира. В зависимост от биологичния вид „старческото изтощение“ се проявява след 300 до 20 000 и повече деления. И все пак как протистите побеждават смъртта? Оказало се, че за това съществува един много прост метод. Когато изследователите оставили в една култура по няколко индивида, след голям брой деления, още преди да се появят в популацията признаците на „остаряването“, между отделните индивиди започва процес на свързване, известен като конюгация. При този процес два протиста се приближават, съединяват се, разменят части от своите ядра и цитоплазма. След разделянето в организма им се създава отново един пълен ядрен апарат, който побеждава старостта и осигурява вечно младо и здраво потомство (фиг. 23).

{img:biologija_za_vsichki_f24_pyrvaci.jpg|#Фиг.23. Първаците се подмладяват чрез процеса конюгация.}

Продължителността на живота на организмите е различна. Има насекоми, чието съществуване на този свят се измерва само с няколко часа; котките рядко преживяват повече от 12 години, а никой човек все още не е живял повече от 200 години, но, от друга страна, има животински и растителни видове, притежаващи удивително дълголетие. Нима някои морски костенурки не живеят повече от 300 години, а калифорнийският бор не достига до 6000-годишна възраст? Може би тайната на дълголетието се крие в клетките именно на тези свръхдълголетни представители на организмовия свят на Земята. Нека се надяваме, че бъдещите изследвания в тази област ще доведат учените до възможността да продължат значително човешкия живот в сравнение със сегашната му максимална граница. Едно подобно пожелание в наше време вече не звучи нито прекалено фантастично, нито е толкова трудно осъществимо на фона на толкова големите и дори, бихме казали, епохални постижения на съвременните биологични и медицински науки (фиг. 24).

{img:biologija_za_vsichki_f25_ostarjavane_na_kletka.png|#Фиг.24. Как се уврежда и остарява една клетка: А — в една здрава клетка може да се случи така, че някои ензими да се окажат дефектни (черното квадратче). Тогава те биват елиминирани, а клетъчната „машина“ продължава да функционира нормално; Б — дефектният ензим обаче може да бъде и необходим за функционирането на самата машина; В — тогава тя започва да функционира зле и грешките се натрупват непрекъснато; Г — в края на краищата всички ензими са увредени и цялата клетка умира.}

Регенерацията при животните и човека

Особено силно изразени са регенерационните способности при по-просто устроените организми. Удивителни са например възможностите на планарията — един представител на плоските червеи — да възстановява напълно отделената до 1/2 част от тялото си както при напречно, така и при надлъжно разрязване. Много добре изразена регенерационна способност притежава и дъждовният червей. Всяко отделено късче от тялото му може за сравнително кратък срок да възстанови напълно липсващите части.

Много от по-просто устроените обитатели на морето и океана са надарени със свойството да регенерират загубени по някакъв начин части от своето тяло. Изключителна способност към регенерация притежават морските краставици. Когато бъдат силно раздразнени, тялото им рязко се свива и изхвърля навън целия храносмилателен апарат и другите вътрешни органи. Когато животното се успокои, кожната обвивка и мускулите са способни да регенерират напълно отстранените органи за един сравнително кратък срок. Красивите морски звезди могат да възстановяват напълно, и то за късо време, който и да е откъснат лъч от тялото си. Същата способност притежават медузите, които лесно регенерират откъснатите си пипала. Един представител на главоногите мекотели, който не се среща в нашето Черно море — октоподът (както и неговите събратя — сепиите и калмарите) — бързо регенерира пипалата си, откъснати при воденето на тежки морски битки.

Тритоните, които принадлежат към класа на земноводните, притежават регенерационна способност, която им позволява да възстановяват еднакво добре както откъснатата си опашка, така и кое да е от загубеното си краче и дори очите си. Някои представители на влечугите, каквито са гущерите например, често спасяват живота си, като оставят в зъбите на неприятеля част от своята опашка. Самопроизволното откъсване на части от тялото, познато под името автотомия, се среща и при други животински видове, като паяци, насекоми и др. Но докато откъснатият самоволно крак на скакалеца никога не регенерира, то гущерът може да бъде напълно спокоен — изработената в процеса на еволюцията „бойна тактика“ му дава гаранция, че той все пак ще има възможност да възвърне откъснатата си опашка, макар и не в съвсем първоначалната й големина и форма. Гущерът неслучайно откъсва само опашката си. Ако в някоя схватка загуби крачето си, той ще остане осакатен за цял живот. Защото колкото на по-високо стъпало от еволюционното развитие се намира даден животински вид, толкова способностите му към регенерация стават все по-малки.

Процесът на регенерация при птиците и бозайниците е твърде ограничен. Животът им зависи от нормалното протичане на т.нар. физиологична регенерация, при която става възстановяване на тъканни и органни структури, разрушаващи се и възстановяващи се в процеса на нормалната жизнена дейност на организма. Типичен пример на физиологична регенерация се открива в кръвотворната система. Червените кръвни клетки имат определен период на съществуване (за човека — около 2 месеца), след което те умират. На тяхно място от костно-мозъчното депо постъпват непрекъснато нови клетки. Благодарение на тази форма на физиологична регенерация организмът на човека преодолява сравнително лесно тежки кръвозагуби.

Незабележима, но постоянна е и подмяната на повърхностните отмиращи клетки от епидермиса на кожата с нови, както и периодичното заменяне на космите на човека, когато, разбира се, не са засегнати сериозно механизмите, регулиращи този процес. Най-интензивен е регенерационният процес при обновяването на чревния епител. При всяка власинка той се обновява през 2–3 дни.

Трудно бихме могли да си представим какво би станало, ако организмите не притежаваха способност към репаративна регенерация. Така се наричат процесите, които протичат при зарастването на раните. С помощта на предизвикани с опитна цел дълбоки наранявания на кожата при лабораторни животни учените успяха да проследят регенерационните процеси в организма. В Института по молекулярна биология при БАН от с.н.с. д-р Георги Марков бяха направени великолепни микроснимки, които показват как в първоначалната фаза на регенерационния процес при зарастването на раната около нея се образува един значителен левкоцитен вал. Сигналът за натрупване на тези левкоцити около раната идва от някои специфични разпадни продукти, отделени от наранените и увредените клетки. Образуващият се левкоцитен вал е от голямо значение за възстановителния процес. Благодарение на отделяните от левкоцитите ензими раната може да се очисти от разрушената тъкан и същевременно да се предпази от проникването на патогенна микрофлора.

До преди няколко години се смяташе, че регенерационният процес се изразява предимно в размножаването или увеличаването обема на клетките, а в самите тях всичко се свежда до обменните процеси. Сега вече се знае, че процесът на регенерация обхваща и всички вътрешноклетъчни образувания: мембрани, митохондрии, рибозоми, ендоплазматичен ретикулум и пр. Това важи и за клетки, в които съществуват специфични, само за тях структури, каквито са миофибрилите, тонофибрилите и пр. Ясно е, че в клетките не протича само биохимична регенерация, а се извършва и една физиологична вътрешноклетъчна регенерация.

Интересно е да се знае, че някои от вътрешните органи на животните и човека не остават безразлични към отстраняването на част от тяхната тъкан — те отговарят с увеличаване размерите на остатъка от органа. Тази своеобразна регенерация се нарича компенсаторна хипертрофия. Особено добра способност към бърза регенерация има чернодробната тъкан. Отстраняването дори на 75% от черния дроб на плъх например не е пречка след 10–15 дни той да възстанови първоначалния си обем и тегло, а след още толкова време този орган възстановява окончателно нормалните си функции. Значително по-слаба е регенерационната способност на бъбреците. Ако се отстрани половината от единия бъбрек, регенерация не се установява, но протича компенсаторна хипертрофия. Регенерация се проявява само когато липсва напълно единия бъбрек и половината от другия. За съжаление регенериралата бъбречна тъкан се отличава по структура от нормалната и функционира по-лошо от нея.

Наблюдавано е, че при чернодробна тъкан в процес на регенерация митозите са многократно увеличени и стигат до 100–200 на хиляда клетки. Тези усилен делителен процес е съпроводен със засилени биосинтезни процеси, при които се образуват жизненоважни полимери, като РНК, белтъци, полизахариди и др. Компенсаторна хипертрофия може да се получи и при отстраняването ни един от чифтните органи, каквито са белите дробове и бъбреците. Отстраняването на единия бъбрек или на единия бял дроб не е фатално за живота на човека, тъй като останалият бъбрек или бял дроб сравнително бързо поема функциите на отстранения.

За нормалното протичане на регенерационните процеси от извънредно голямо значение е общото здравословно състояние на организма. Фактори, които се отразяват крайно неблагоприятно върху протичането на възстановителните функции, са лъчевите увреждания, авитаминозните състояния, разстройствата на нервната система и др. Облъчените с рентгенови лъчи плъхове например регенерират частта от останалия отстранен черен дроб за много по-дълго време в сравнение с контролните си здрави събратя. Костната тъкан се отличава с много добре подчертана способност към регенерация, благодарение на което счупванията на костите не са сериозен проблем за медицината. Но при тежки състояния на авитаминоза, предизвикваща рахит, възстановяването на костите става почти невъзможно.

Съвременната медицина успя да разработи оригинални методи, чрез които успешно стимулира регенерационния процес. Присаждането на опорни структури например създава условия за ускоряване на регенерационния процес. Присаждането на парче мъртва кост, прикрепването на опорни структури към опериран хранопровод, част от кръвоносен съд (вена или друг тръбовиден орган), както и присаждането на роговица създават добри условия за засилване на регенерационния процес. А зарастването на някои тежки кожни рани бе успешно стимулирано след намазването им с хидролизат от различен вид РНК — едно средство, което бе намерено в Института по молекулярна биология при БАН под ръководството на чл.-кор. Р. Цанев.

В други наши институти, където работят изтъкнати български учени като чл.-кор. Георги Гълъбов, проф. Моско Москов, ст.н.с. Георги Марков, ст.н.с. Хени Челибонова и др. са постигнати съществени научни резултати, вследствие на разгадаването на някои от най-интимните механизми на регенерационните процеси. Особено интензивно се работи в Централната лаборатория по изучаване проблемите на регенерацията при БАН, ръководена от чл.-кор. Г. Гълъбов. Нашите учени се мъчат да намерят отговор на един голям въпрос: защо при висшите гръбначни животни и по-специално при човека нервното влакно в централната нервна система при прекъсване не регенерира, докато при нисшите то се възстановява много добре.

Съвременната наука успя да установи, че регенерацията не е процес, присъщ само за по-просто устроените организми. Намирането на подходящи средства и условия за стимулиране на този процес при висшите организми вероятно ще доведе в близко бъдеще до успешно регенериране на някои органи и тъкани. По този начин наред с усъвършенствуването на техниката по присаждането на органи учените ще съумеят още по-успешно да се борят за здравето на човека. Гаранция за това са обединените усилия във фундаменталните изследвания, провеждани напоследък в областта на редица биологични дисциплини.

Биохимия на паметта
Човекът може неизмеримо много повече да учи и да си спомни много по-добре, отколкото всяко друго живо същество на нашата планета. Неговата добре развита памет действително е едно от най-важните качества, които го отличават коренно от най-висшите представители на животинския свят.

Неоспорим факт е, че по собствено желание дори и най-възрастният човек може в който и да е момент да си припомни щастливите детски години или отдавна заглъхнали гласове на близки хора.

Човешкият мозък задържа най-важните сведения и при необходимост лесно ги „извлича“ от „архивите“ на паметта. Според най-приблизителни изчисления той пази информация, която трудно би се побрала в десет тома по хиляда страници. Това се равнява на около сто милиарда „бита“ единици информация.

Древногръцките философи са смятали, че човек се ражда с „дух“, който може да се сравни с гладка плоча, върху която пишат „пръстите на житейския опит“. Ако човек иска да си припомни нещо, той трябва да прерови „стенограмите“ на паметта си. Действително, когато понякога се стараем да си спомним отдавна слушана мелодия или името на наш приятел, ние като че ли „преравяме“ библиотеката на нашите спомени. Но това са редки случаи. Обикновено много спомени изплуват с лекота в нашето съзнание. А голяма част от нашите възпоминания, необходими за ежедневната ни дейност, протича несъзнателно. Например никога не е необходимо да казваме на нашите ръце и крака как да държат кормилото и да натискат педалите на управляваната от нас кола — те вършат това без съзнателно указание.

Учените от монреалската школа на Пенфийлд твърдят, че мозъкът съхранява в себе си абсолютно всичко, което стига до него чрез сетивните органи. След като Пенфийлд започнал да търси местоположението на говорните зони в кората на мозъка, той случайно се сблъскал с наистина забележително явления. Допирането на електрод до кората на мозъка пробуждало внезапно в съзнанието на участвуващите в експеримента подробни спомени за отдавна минали събития. Някои можели да повторят наизуст цяла страница от отдавна прочетена книга, други чували оркестър да изпълнява мелодия, която в никакъв случай не биха могли да възпроизведат на глас, а една оперирана жена дочувала гласа на малкия си син откъм двора заедно с други звуци — автомобилни клаксони, кучешки лай и гласовете на други деца.

Подобни предизвикани чрез електростимулация спомени очевидно винаги възпроизвеждат някакви реални събития от миналото на даден индивид. Ясно е обаче, че това са спомени, които експериментираният човек не се е стремял да запази — те са съвсем делнични и маловажни. Макар и да носят белег на тривиалност, възпроизвежданите събития никога не са били смътни. Тяхната яркост винаги ги е отличавала от образите на обикновената памет. Според Пенфийлд това минало се разгръща последователно, миг след миг. То напомня възпроизвеждане на магнетофонен запис или прожекция на филм. Времето на този филм върви винаги напред и никога в обратна посока, макар че се касае за отдавна минали събития. Най-интересното е, че възпроизвеждането на даден епизод може да се повтори, ако дразненето бъде прекъснато и след това възстановено в същата или в някоя близка точка. В този случай епизодът винаги започва от един и същ момент.

Тези и други подобни експерименти (особено с хора, притежаващи т.нар. „феноменална памет“) доведоха повечето от учените до заключението, че механизмите на паметта не биха могли да бъдат разшифровани само с помощта на физиологията и психологията. През последните няколко години биохимиците и генетиците успяха да разшифроват някои механизми на наследствената памет. Те доказаха, че предаването на информация в наследство става с помощта на съдържащите се в клетките ДНК и РНК. Тези открития наведоха физиолозите на мисълта, че и индивидуалната памет, т.е. тази, която се придобива от човека в продължение на целия му живот, но не се предава по наследство, може би се реализира за сметка на същите механизми, открити от биохимиците.

Днес ние знаем, че хромозомите, които се намират във всяко ядро на клетката, се състоят от ДНК — една много сложна молекула, която играе ролята на върховна централа, командуваща всички биохимични процеси в клетката. Чрез РНК тя осъществява синтезата на белтъците (фиг. 25). В известен смисъл може да се каже, че ДНК съхранява свръхиндивидуалната видова памет на дадено живо същество. Тя като че ли си „спомня“ как са изградени неговите предшественици. Така през миналото десетилетие на шведския биолог Холдер Хиген хрумнала идеята, че може би РНК съдържа индивидуалните възпоминания на едно живо същество, т.е. че тя играе ролята на легендарната „плоча“, върху която пръстите на придобитата опитност пишат, като изменят структурата на РНК-молекулата. По-късно и негови опити показаха, че при изпълнението на дадена задача, общото количество на РНК в мозъчните клетки значително нараства. Тази теория разпали бързо увеличаващия се интерес към биохимията на паметта и мнозина учени предприеха по-нататъшни опити в тази насока. Последваха редица експерименти на Конъл и Джейкобсън с планарии, които дадоха сензационни, но за съжаление не съвсем убедителни резултати. Те давали на планарии да изядат свои събратя с изработени условни рефлекси. „Канибалите“ веднага започвали да реагират на точно същите дразнители, които по-рано са предизвикали рефлекс у изядените от тях планарии. Но трудно бе да се убеди учения свят, че паметта е нещо, което може… да се яде!

{img:biologija_za_vsichki_f26_sintez_na_rnk_i_beltyci.jpg|#Фиг.25. Синтезиране на РНК и белтъци в клетка.}

В Съветския съюз твърде интересна хипотеза, предложена от чл.-кор. Рижиков, предизвика бурни дискусии, но скоро намери голям брой поддръжници. Същността на тази хипотеза е в това, че постъпващата в организма информация се фиксира не за сметка на имащи чисто химичен характер процеси, а за сметка на конфигурационни процеси, извършващи се чрез завиване и развиване на отделни участъци на хромозомите в ядрата на клетките. В отговор на дошла до неврона информация в него по определен начин се изменя концентрацията на калиевите и натриевите йони. Това от своя страна довежда до промяна в конфигурацията на отделни участъци от ДНК в хромозомите. Такова изменение на разположението на различните участъци от хромозомите един към друг изменя тяхната активност и по този начин влияе на „вътрешния свят“ на нервната клетка. Така процесът на запомняне може да се запази за по-кратко или по-продължително време и даже за цял живот.

Безспорно запаметяването е извънредно сложен и многостепенен процес. Като явление то едва ли включва в себе си едно или няколко вещества и процеси. Смята се, че паметта е верига от процеси, в които рибонуклеопротеидите (и на първо място т.нар. „информозоми“) играят съществена роля.

Независимо от това, че е все още рано да приемем за добре обоснована хипотезата, че РНК е „молекулата на паметта“, тя все пак е твърде привлекателна. Защото ако специфично шифрованите молекули на РНК действително представляват природна пренасяща субстанция на възпоминанията, един ден би било възможно да създадем известни знания за бъдещите поколения чрез просто приемане на молекули на паметта. Макар на някои хора подобни предложения да се струват утопия, аспектите, които се разкриват с биохимичното начало в изследванията на паметта, са твърде интересни и насърчителни. А осъществените напоследък синтези по изкуствен път на „жива материя“ — ДНК на вируси, гени и на някои ензими, като рибонуклеазата например, вероятно ще спомогнат твърде много за разгадаване механизма на паметта.

Радиациите и еволюцията на организмовия свят
Природата на радиоактивните фактори, въздействуващи върху живите организми, е различна. Те представляват алфа-частици (бързи хелиеви ядра), бета-частици (бързи електрони), електромагнитно излъчване (гама-кванти) и известните с огромната си проникваща способност рентгенови лъчи и неутрони. Като омесен енергиен комплекс се разглеждат и космическите лъчи, които срещайки се с ядрата и атомите на стратосферата, предизвикват вторично излъчване с характеристика, различна от тази на радиоактивните фактори.

Смята се, че в ранните стадии от историята на нашата планета в атмосфера, почти напълно лишена от свободен кислород, под действието на ултравиолетовата и космическата радиация на слънцето, под непрекъснати електрически разряди бавно и непрекъснато са протичали реакции между водните пари и газове — метан, амоняк, водород, а впоследствие — с въглеродни окиси и въглена киселина. Тези реакции са довели до образуването на малки органични молекули, които са се натрупвали в моретата. По-късно при тяхната агрегация са се образували по-големи органични молекули.

Първите най-древни остатъци от живи същества на нашата планета са открити в земните пластове отпреди 1 милиард и 600 милиона години. Това са предимно микроорганизми, гъби и водорасли. Очевидно, за да достигнат тази степен на организация, те са преминали през още по-примитивните форми на живот, което ни кара да търсим появата на живота в значително по-ранни геологични периоди.

Ако в умерените ширини на нивото на морския бряг има 50 милирада естествено облъчване, в планините то е значително повече. В някои райони на земното кълбо с големи подземни запаси на радиоактивни руди естественият радиационен фон достига значителни цифри — в някои пунктове на Бразилия, Египет и индийските щати Керала и Мадрас той се изчислява на около 1300 единици. Тези райони се обитават средно от по 100 000 души, без да вземаме предвид растителният и животинският им състав. Освен външното облъчване различните организми получават и вътрешно — изотопите на радиоактивните елементи, като калий-40, въглерод-14, газообразният продукт на урана — радон и др. често може да бъдат открити в хранителните продукти.

Съветската изследователка Преображенская през 1967 г. достига до извънредно интересни изводи, обобщавайки резултатите от проучването на 700 представители на различни систематични групи растения. Използувайки лъченията на кобалт-60 в различни дози, тя установява редица зависимости относно филогенетичните взаимоотношения на основните групи растения: иглолистните са силно чувствителни към радиацията; едносемеделните биват чувствителни и средно устойчиви, а при двусемеделните радиоустойчивостта на отделните групи е паралелна на подреждането им в съвременните филогенетични (родствени) системи, т.е. по степента на тяхното еволюционно развитие. Така в основата на родословното дърво се разполагат неустойчивите и средно устойчивите разреди на магнолиевите, лавровите, розоцветните; радиополиморфни са групите на сложноцветните, камбанковите и устоцветните. Дървесните и храстовите видове са в повечето случаи чувствителни, а тревистите са значително по-устойчиви. По такъв начин радиоустойчивостта, корелираща с еволюционната степен на растителните групи, може да служи като показател за определяне на тяхната геологична възраст — по-радиочувствителните видове са древни или по-примитивни, а по-устойчивите са по-млади исторически или по-съвършени форми.