tytu�: "1001 SPOTKAN Z NAUK�" autor: James Trefil Tytu� orygina�u: "1001 THINGS EVERYONE SHOULD KNOW ABOUT SCIENCE" prze�o�y�a: El�bieta Smosarska-Leszczyc Konsultacja naukowa: prof. dr hab. J�zef Babicz Instytut Historii Nauki dr Jacek Bardowski Instytut Biochemii i Biofizyki PAN dr Wojciech Czechowski Muzeum i Instytut Zoologii PAN dr S�awomir Jarosz Instytut Chemii Fizycznej PAN dr Tomasz Kwast Obserwatorium Astronomiczne UW dr Robert Smola�czuk Instytut Fizyki UW mgr Anna Szewka Instytut Biologii Do�wiadczalnej PAN dr Krzysztof Teisseyre Instytut Geofizyki PAN �wiat Ksi��ki Projekt ok�adki i stron tytu�owych Ewa �ukasik Redakcja Monika Sarnecka Redakcja techniczna Alicja Jab�o�ska-Chodze� Korekta Ma�gorzata Juras, Ma�gorzata Kolo�ska, Jacek Ring Copyright 1992 by James Trefil Copyright for the Polish translation by "�wiat Ksi��ki", Warszawa 1997 �wiat Ksi��ki, Warszawa 1997 Druk i oprawa w GGP ISbn 83-7129-240-6 Nr kat. 1470 * * * Mojej Matce, Sylvii Elizabeth Trefil O autorze James Trefil, profesor fizyki w George Mason University, jest autorem przesz�o stu artyku��w naukowych, trzech podr�cznik�w i dwunastu ksi��ek o nauce. By� stypendyst� fundacji Guggenheima i komentatorem National Public Radio. Jest cz�onkiem Ameryka�skiego Towarzystwa Fizycznego. Zasiada tak�e w Komitecie Norm i Podstawowych Sta�ych Fizycznych w Krajowej Radzie Bada� Naukowych. Za mistrzostwo w pisarstwie popularyzuj�cym nauk� James Tre61 otrzyma� Nagrod� Westinghouse'a, przyznan� przez Ameryka�skie Stowarzyszenie Popierania Post�pu Nauk, a jako wyk�adowca zosta� wyr�niony Nagrod� za Nowatorstwo, przyznan� przez Narodowy Uniwersytet Kszta�cenia Ustawicznego. Kilka innych ksi��ek Jamesa Trefila to: The Moment of Creation, A Scientist at the Seashore, Meditation at 10 000 Feet, The Dark Side of the Universe, Reading the Mind of God. Jest r�wnie� wsp�autorem The Dictionary of Cultural Literaty oraz Science Matters: Achieving Scientific Literacy. Wst�p Nauka pozwala zrozumie�, jak zbudowany jest i jak dzia�a niezmierzony, niezr�wnany w swoim pi�knie Wszech�wiat - od wybuch�w odleg�ych gwiazd do najmniejszej kom�rki w organizmie. Zgromadzenie tej wiedzy jest z pewno�ci� najwi�kszym ze wszystkich osi�gni�� ludzkiego rozumu. Nauka obejmuje mn�stwo r�nych specjalno�ci, mo�na te� rozmaicie j� prezentowa� - placek daje si� wszak kroi� na wiele sposob�w. Mo�na na przyk�ad skoncentrowa� si� na og�lnych zasadach, kt�re le�� u podstaw nauki. Mo�na r�wnie� zaj�� si� bardzo szczeg�owo pewnymi dziedzinami wiedzy, jak astronomia, biologia molekularna, geofizyka, a pomin�� ich zwi�zki z reszt� �wiata, lub mo�na, tak jak ja to zrobi�em, podzieli� ca�� nauk� na drobne elementy, z kt�rych ka�dy spe�nia okre�lone zadanie. W ksi��ce podejmuj� pr�b� opisania, jak funkcjonuje �wiat. Informacje umie�ci�em w kolejno ponumerowanych notkach. Czasem zawieraj� one tylko jedno lakoniczne zdanie, lecz w wi�kszo�ci sk�adaj� si� co najmniej z dw�ch akapit�w. Poszczeg�lne cz�ci ksi��ki po�wi�cone s� biologii klasycznej, ewolucji, biologii molekularnej, fizyce klasycznej, fizyce wsp�czesnej, nauce o Ziemi i astronomii. W ka�dej cz�ci zachowany jest logiczny porz�dek, pocz�wszy od pierwszej notki do ostatniej, lecz mo�na je czyta� w dowolnie wybranej kolejno�ci. Kr�tko m�wi�c, ksi��ka jest przeznaczona do wertowania. Mo�na otworzy� j� na przypadkowej stronie, przeczyta� troch�, powiedzie�: "O! tego nie wiedzia�em" lub "Ciekawe", a potem od�o�y� do nast�pnego razu. To nie podr�cznik i nie nale�y go czyta� od pocz�tku do ko�ca. Je�li co� zwraca uwag�, trzeba czyta� dalej, je�li nie - zajrze� w inne miejsce. lo wsT�P Ten niekonwencjonalny spos�b przekazania wiedzy rodzi sporo w�tpliwo�ci. Mia� je autor i ty, czytelniku, tak�e b�dziesz je mia�. Nie ka�dy fakt jest jednakowo wa�ny. Pierwsza zasada termodynamiki (notka 535) stoi z pewno�ci� wy�ej na drabinie wiedzy ni� fakt, �e rekin ma szkielet chrz�stny (notka 25). Naprawd� ka�dy powinien zna� pierwsz� zasad� termodynamiki, inaczej nie zrozumie �wiata, natomiast anatomia rekina jest po prostu jednym z wielu przyk�ad�w ilustruj�cych z�o�ono�� i r�norodno�� �wiata istot �ywych. Wa�na w tej ksi��ce jest r�wnie� kwestia granic: gdzie je zakre�li�? �wiat jest niezmiernie bogaty i pr�ba opisania go w niewielkiej liczbie notek nie jest �atwa. Nie bez �alu ograniczy�em si� tylko do tradycyjnych nauk przyrodniczych, zamierzaj�c medycyn� i technik� umie�ci� w nast�pnych publikacjach. W ko�cu mo�na zapyta�, dlaczego zdecydowa�em si� na 1001 notek. C�, a dlaczego nie? To taka sama dobra liczba jak ka�da inna. Poza tym s� w literaturze �wietne precedensy. Nie pochlebiam sobie, �e kt�ra� z moich notek ma pi�kno i si�� opowie�ci Szeherezady, lecz razem wzi�te uzupe�ni� tw�j obraz �wiata i dostarcz�, mam nadziej�, odrobiny wiedzy, o kt�rej wcale nie s�dzi�e�, �e jest ci potrzebna. James Trefil Fairfax, Virginia Biologia klasyczna Rozmna�anie si� ro�lin % Ro�liny mog� rozmna�a� si� 1 p�ciowo lub bezplciowo. Kiedy perz na twoim trawniku wypuszcza k��cza, kt�re nast�pnie si� ukorzeniaj�, to rozmna�a si� on bezp�ciowo. Jest to dodatkowy spos�b rozmna�ania opr�cz (a czasami zamiast) rozmna�ania p�ciowego za pomoc� nasion (patrz ni�ej). Wyrastanie nowych ro�lin z bulw i roz�og�w to inne przyk�ady bezp�ciowego rozmna ziarna py�ku p�atek pr�cik korony dzia�ka kielicha �ania si�. Praktyka szczepienia ro�lin - zespolenie p�du jednej ro�liny (zrazu) z p�dem lub pniem drugiej (podk�adk�) - jest przyk�adem sztucznego wywo�ania rozmna�ania bezp�ciowego. Najprostsza forma rozmna�ania bezp�ciowego wyst�puje u takich ro�lin jednokom�rkowych jak glony, kt�re rozmna�aj� si� przez zwyk�y podzia� kom�rki. Ro�lina, kt�ra powsta�a w wy BUDOWA KWIATU Pr�cik jest organem m�skim ro�liny. Produkuje ziarna py�ku, w kt�rych powstaj� plemniki. Pr�ciki maj� "puszyste" g��wki na d�ugich nitkach i tworz� ok�ek dooko�a s�upka. Ten "puszysty" wyg��d nadaj� g��wce ziarna py�ku. znami� s�upka s�upek zal��nia S�upek jest �e�skim organem ro�liny. Cz�ci� s�upka jest zal��nia, wewn�trz kt�rej dochodzi do zap�odnienia i rozpoczyna si� rozw�j nasienia. 14 BIOLOGIA KLASYCZNA niku rozmna�ania si� bezp�ciowego, jest identyczna z macierzyst�, czyli jest klonem. Rozmna�anie bezp�ciowe przebiega szybciej ni� p�ciowe, lecz tworzy populacje, w kt�rych zmiany zachodz� tylko w nast�pstwie mutacji. Przemiana pokole� jest form� rozmna�ania p�ciowego. Ro� liny, takie jak paprocie i mchy, stosuj� technik� rozmna�ania polegaj�c� na nast�pstwie pokole�. W ich cyklu �yciowym dwa pokolenia - p�ciowe (gametofit) i bezp�ciowe (sporofit)-nast�puj� kolejno po sobie i maj� zupe�nie r�ny wygl�d. Na przyk�ad u paproci du�y ulistniony sporofit wyrasta z zap�odnionej kom�rki jajowej przez zwyk�y podzia� kom�rek. Na dolnej powierzchni li�cia sporofitu paproci rozwijaj� si� zarodniki, kt�re mieszcz� si� w zarodniach tworz�cych kupki. Ka�dy z zarodnik�w ma po�ow� normalnego zestawu chromosom�w. Po wysianiu si� zarodnik�w wyrastaj� z nich mikroskopijne gametofity, wytwarzaj�ce kom�rki jajowe i plemniki. Kiedy plemniki dojrzej�, przep�ywaj� w warstewce wody do kom�rek jajowych. Zap�odniona kom�rka jajowa, maj�ca teraz pe�ny zestaw chromosom�w, rozwija si� w sporofit paproci i cykl si� powtarza. U paproci jedno pokolenie - sporofit - jest du�e i d�ugowieczne, natomiast drugie - gametofit - jest niepozorne i �yje kr�tko. Oba pokolenia s� ro�linie niezb�dne, poniewa� sk�adaj� si� na jej cykl �yciowy. Wszystkie pomara�cze "noweliny" pochodz� od jednego drzewa. W pocz�tkach XIX w. na plantacji w Brazylii pojawi�o si� drzewo-mutant. Rodzi�o pomara�cze bez pestek. Ka�da nowelina istniej�ca dzi� na �wiecie pochodzi ze zrazu pobranego od tego mutanta i zaszczepionego na innym drzewie. Z niego z kolei pobrano zraz i zaszczepiono na nast�pnym drzewie itd. Opanowanie l�du przez ro�liny sprzyja�o wykszta�ceniu si� nasion. U ro�lin nasiennych jajo pozostaje wewn�trz organizmu macierzystego i tam jest zap�adniane przez plemnik. Mo�e on pochodzi� z tej samej ro�liny lub innej. Rozwijaj�cy si� zarodek pozostaje w ro�linie macierzystej dop�ty, dop�ki nie rozwinie si� w trwa�e wielokom�rkowe nasie Rozw�j ro�lin 15 nie, kt�re jest nast�pnie uwalniane i mo�e z niego powsta� nowa ro�lina. W tym procesie plemniki nie musz� by� przenoszone przez wod�. U ro�lin nasiennych plemniki s� przenoszone przez ziarna py�ku. Wewn�trz wszystkich ziaren py�ku, powoduj�cych ka�dego lata kichanie, katar i �zawienie oczu, powstaj� plemniki. Znalaz�szy si� w pobli�u jaja odpowiedniej ro�liny, dokonuj� jego zap�odnienia i tym samym zapocz�tkowuj� rozw�j nasienia. Aby zatem m�c si� rozmno�y�, ro�lina musia�a wynale�� jaki� spos�b przedostania si� py�ku do zal��ni. Najprostszym sposobem jest samozapylenie - ziarno py�ku przemieszcza si� z pr�cika na s�upek w obr�bie jednego kwiatu. Podczas zapylenia krzy�owego py�ek jednej ro�liny zap�adnia jajo drugiej. Py�ek mo�e by� przeniesiony z jednej ro�liny na drug� przez wiatr lub na przyk�ad pszczo�y czy kolibry. W wyniku zapylenia powstaje owoc. Owoce ka�dej ro�liny okrytozal��kowej rozwijaj� si� z za l��ni po zap�odnieniu. Owoce mog� by� soczyste jak gruszka, chocia� nie zawsze s� jadalne dla cz�owieka. Bia�y puch mniszka lekarskiego i spadaj�ce z klonu ma�e skrzydlaki, podobne do helikoptera, to tak�e owoce. ~% Czerwona cz�� truskawki / wcale nie jest owocem. Jest to zmodyfikowane dno kwiatowe. Owocami s� ma�e ��te ziarenka przyklejone do jego powierzchni. Rozw�j ro�lin Q Pierwszym etapem rozwoju V ro�liny z nasienia jest kie�kowanie. Nasienie, zanim wykie�kuje, pobiera wod� z otoczenia. Potem przez �upin� zaczyna przedostawa� si� korze�, a nast�pnie na powierzchni� ziemi wydostaje si� p�d, kt�ry wypuszcza li�cie. Li�� b�dzie gotowy do dzia�ania wtedy, gdy powstanie w nim chlorofil i rozpocznie si� fotosynteza. Do tego czasu m�oda ro�lina musi �y� kosztem energii zmagazynowanej w nasieniu. Nasiona mog� d�ugo pozostawa� w stanie spoczynku. W stanie �ycia utajonego pozostaj� tak d�ugo, a� nastan� warunki umo� I6 BIOLOGIA KLASYCZNA liwiaj�ce kie�kowanie. Do kie�kowania niezb�dne s� przede wszystkim odpowiednio wysoka wilgotno�� i temperatura. Wzrost ro�liny zaczyna si� dopiero wtedy, gdy warunki s� wystarczaj�co dobre. Na przyk�ad na zachodzie Stan�w Zjednoczonych nasiona traw nie kie�kuj�, dop�ki nie zostanie osi�gni�ty pewien poziom opad�w. W�a�ciwo�� ta pozwala przeczeka� ro�linie lata katastrofalnie suche. o Chwasty cz�sto produkuj� naJ siona zdolne do d�ugotrwa�ego przebywania w stanie spoczynku. Nasiona niekt�rych chwast�w pozostaj� w stanie spoczynku, p�ki nie zostan� wystawione na dzia�anie �wiat�a lub, na przyk�ad, nast�pi uszkodzenie ich �upiny. Obie te strategie u�atwiaj� chwastom kie�kowanie w �wie�o zaoranej ziemi. Dlatego szybko pokrywa si� ona chwastami. ' [~ Substancje, z kt�rych po1 U wstaj� tkanki ro��in, pobierane s� zar�wno z powietrza, jak i z gleby. Atomy w�gla i tlenu, b�d�ce sk�adnikami wszystkich tkanek ro�lin, pobierane s� z powietrza w postaci dwutlenku w�gla. Inne niezb�dne pierwiastki, w�r�d kt�rych jest azot, fosfor, potas, siarka, wap�, magnez oraz pewna liczba pierwiastk�w �ladowych, korzenie ro�liny pobieraj� z gleby w postaci zwi�zk�w mineralnych. Ro�lina przetwarza te substancje nieorganiczne w zwi�zki organiczne, z kt�rych buduje swoje tkanki. 11 Ro�liny nie mog� pobiera� azotu wprost z powietrza, w kt�rym znajduje si� on w postaci cz�steczek NZ , a nie atom�w. Ro�liny mog� wykorzysta� azot dopiero wtedy, gdy jest on "zwi�zany" lub przetworzony w amoniak (NH3). Zdolno�� do wi�zania azotu atmosferycznego maj� pewne prokariotyczne organizmy jednokom�rkowe - niekt�re sinice i liczne bakterie. Bez tych organizm�w, kt�re stanowi� dla ro�lin �r�d�o azotu, nie mog�oby istnie� na Ziemi �ycie wy�sze. Bez nich nie by�oby �adnych ro�lin wielokom�rkowych, a tak�e zwierz�t ani ludzi. W oceanie azot wi��� sinice i niekt�re bakterie fotosyntetyzuj�ce. W glebie jest troch� wolno �yj�cych bakterii azotowych, lecz wi�kszo�� azotu wi��� bakterie �yj�ce w brodawkach na korzeniach ro�lin. Groch, soja i lucerna to kilka przyk�ad�w ro�lin, Zwierz�ta 17 w kt�rych �yj� bakterie wi���ce korzeniach ro�liny, tworzy w gleazot. bie "rezerw�" zwi�zanego azotu, z kt�rej mog� go czerpa� inne W celu wzbogacenia gleby ro�liny. 12 w azot w postaci zwi�zanej stosuje si� p�odozmian. Rolnicy od wiek�w wiedzieli, �e uprawa ro�lin, takich jak lucerna lub koniczyna, u�y�nia gleb� i powoduje, �e uprawa nast�pnych zasiew�w jest wydajniejsza. Dzieje si� tak dlatego, �e te szczeg�lne ro�liny przechowuj� w swych korzeniach bakterie azotowe, a tak�e dlatego, �e bakterie te wi��� wi�cej azotu, ni� zu�ywa ro�lina, na kt�rej si� osiedli�y. Nadmiar azotu, wraz z materia�em zgromadzonym w samych %2 Pewne ro�liny wykorzystuj� 1 J osobliwe nisze ekologiczne. Jemio�a na przyk�ad jest paso�ytem. Cz�� swoich potrzeb pokarmowych zaspokaja przez fotosyntez� (jest przecie� mimo wszystko zielona), lecz inne substancje od�ywcze pobiera z drzewa, na kt�rym ro�nie. Podobnie zachowuje si� ro�lina zwana mucho��wk�, kt�rej, jako dodatek do produkt�w fotosyntezy, trafia si� od czasu do czasu przek�ska w postaci owada. Zwierz�ta Do kr�lestwa zwierz�t nale14 �� organizmy od tak prymi tywnych jak g�bki a� po cz�owieka. Jest ono najbardziej zr�nicowane z pi�ciu kr�lestw. G�bki zbudowane s� z wielu kom�rek, lecz ka�da z nich mo�e funkcjonowa� niezale�nie od innych. Je�eli na przyk�ad przetrze si� g�bk� przez sito, to ka�dy kawa�ek, a nawet ka�da kom�rka s� zdol ne do utworzenia nowego organizmu. U zwierz�t wy�szych, zatem i u ludzi, kom�rki maj� wyspecjalizowane funkcje i ich dzia�anie jest uzale�nione od wszystkich pozosta�ych. ~% Zwierz�ta korzystaj� z go1 ~ towych substancji organicznych. Jest to strategia ewolucyjna kr�lestwa zwierz�t. W odr�nie 18 BIOLOGIA KLASYCZNA niu od ro�lin, kt�re same wytwarzaj� sobie po�ywienie w procesie fotosyntezy, zwierz�ta musz� pobra� pokarm z otoczenia. Mog� to zrobi� dwoma sposobami: trwa� w miejscu i czeka�, a� po�ywienie do nich przyjdzie (tak jak korale), lub aktywnie go poszukiwa� (jak lampart). Zwierz�ta ro�lino�erne (np. kr�liki) �ywi� si� ro�linami, mi�so�erne (np. wilki) jedz� inne zwierz�ta, a wszystko�erne (np. ludzie i szopy) od�ywiaj� si� zar�wno ro�linami, jak i zwierz�tami. W kr�lestwie zwierz�t roz16 r�nia si� wiele typ�w. Niekt�rzy biolodzy dziel� kr�lestwo zwierz�t na trzydzie�ci jeden r�nych typ�w. Wi�kszo�� z tych typ�w obejmuje zwierz�ta o prostej budowie. Stan zr�nicowania kr�lestwa zwierz�t ukazuje poni�sza lista przyk�adowo wybranych typ�w. G�bki (Porifera) - g�bki Parzyde�kowce (Cnidaria) - kr��ko p�awy, korale, ukwia�y P�azi�ce (Plathelmintes) - przywry, tasiemce Wrotki (Rotifera) - mikroskopijne organizmy Oble�ce (Nematohelminthes) - nicienie Pier�cienice (Annelida) - sk�poszczety, np. d�d�ownice Mi�czaki (Mollusca) - ma��e, �limaki Stawonogi (Arthropoda) - paj�ki, owady, skorupiaki Szkar�upnie (Echinodermata) - rozgwiazdy, je�owce Strunowce (Chordata) - wszystkie zwierz�ta ze strun� grzbietow� z cz�owiekiem w��cznie ' ~/ Ewolucja zwierz�t przebie1 / ga�a poprzez wielk� liczb� form prymitywnych, takich jak korale, che�bie, p�azi�ce, oble�ce, pier�cienice i mi�czaki. Reprezentuj� one r�ne typy �wiata zwierz�cego, kt�re biolodzy uwa�aj� za r�wnie warte badania jak nasz typ strunowc�w. Wygl�d zwierz�cia mo�e czasami wprowadzi� w b��d. Rozgwiazdy i je�owce wygl�daj� na zwierz�ta proste, a s� organizmami dosy� z�o�onymi. Reprezentuj� ostatni� ga��� drzewa ewolucyjnego, prowadz�c� do strunowc�w, a wi�c do nas samych. ~/ ~ Typem, kt�ry odni�s� najwi�kszy sukces, s� stawo nogi. Nale�� do nich paj�ki, wije, skorupiaki (takie jak homar) i najwa�niejsze ze wszystkich owady. Stawonogi cechuje twardy szkielet zewn�trzny (pancerz), kt�rego cz�ci s� tak po��czone, by umo�liwi� zwierz�ciu ruch. Zwierz�ta 19 Szkielet zewn�trzny nie ro�nie, wi�c stawonogi musz� stary okresowo zrzuca� (linienie), aby mog�y zwi�ksza� rozmiary cia�a. Do stawonog�w nale�y obecnie od 50 do 80 procent wszystkich gatunk�w zwierz�t �yj�cych na Ziemi. Skrzyp�ocze, kt�rych skorupy s� wyrzucane obficie na pla�e wschodniego wybrze�a Stan�w Zjednoczonych, przetrwa�y prawie nie zmienione oko�o 500 milion�w lat. 1o Najdziwniejszymi zwie1 J rz�tami s� przedstawiciele typu Pogonophora. �yj� na dnie oceanu, skupione wok� uj�� hydrotermicznych. S� to czerwonawe "robaki", buduj�ce d�ugie, twarde rurki, w kt�rych �yj�. Osi�gaj� d�ugo�� 7,5 m. Przyjmuj� pokarm, lecz nie maj� otworu g�bowego ani �adnego uk�adu, kt�ry odpowiada�by przewodowi pokarmowemu. Rol� jelita odgrywa tzw. przestrze� mi�dzyczu�kowa. S� to wi�c zwierz�ta o zewn�trznym typie trawienia. Stanowi� odr�bny typ, poniewa� �adne zwierz� nie jest do nich podobne. '~n Stonogi wcale nie maj� lr V stu n�g. R�ne gatunki tej grupy skorupiak�w maj� zaledwie po kilkana�cie par odn�y. Wi�cej n�g (2000 par) maj� krocionogi - przedstawiciele jednej z grup wij�w. ~' Spo�r�d stawonog�w naj1 wi�kszy sukces odnios�y owady. Szacuje si�, �e ca�kowita liczba owad�w na planecie si�ga 10' $ sztuk - na ka�dego cz�owieka w przybli�eniu przypada miliard owad�w. Wszystkie maj� trzy pary n�g (w odr�nieniu od paj�k�w - cztery pary) i szkielet zewn�trzny, a ich cia�o dzieli si� na trzy cz�ci: g�ow�, tu��w i odw�ok. "B�g nadzwyczaj umi�owa� 22 sobie chrz�szcze". Podobno tymi s�owami wybitny biolog angielski John Burdon Sanderson Haldane odpowiedzia� rozm�wcy, kt�ry chcia� si� dowiedzie�, co badania przyrody pozwalaj� s�dzi� o zamiarach Stw�rcy. W�r�d owad�w najwi�kszy sukces odni�s� rz�d chrz�szczy (Coleoptera). Chrz�szcze stanowi� oko�o po�owy wszystkich gatunk�w zwierz�t poznanych dotychczas na Ziemi. Jako ch�opiec 20 BIOLOGIA KLASYCZNA by�em zapalonym kolekcjonerem owad�w. Zdziwi�em si� bardzo, gdy si� dowiedzia�em, �e tylko na obszarze Chicago �yj� setki r�nych gatunk�w chrz�szczy. Zbieranie wszystkich tych gatunk�w wyda�o mi si� zniech�caj�ce i porzuci�em owady, przenosz�c swoje zainteresowania na fizyk�. Tajemnica ~~ Jakie jest pochodzenie kr�gowc�w? Prze�ledzenie wszystkich etap�w ewolucji, kt�re doprowadzi�y do powstania wsp�czesnych kr�gowc�w, jest trudne. Jedna z teorii, oparta na obserwacji wsp�cze�nie �yj�cych zwierz�t, jest nast�puj�ca. Istniej� zwierz�ta, kt�rych larwy p�ywaj� i maj� co� podobnego do struny grzbietowej. W tym stanie przypominaj� z wygl�du prymitywne kijanki. W doros�ym �yciu trac� zar�wno zdolno�� poruszania si�, jak i strun� grzbietow�. Wed�ug tej teorii u zwierz�t podobnych do wspomnianych wy�ej zanik�o stadium osobnika doros�ego i sp�dzaj� one ca�e �ycie w stanie larwalnym. W nast�pnym etapie zacz�a si� tworzy� chrz�stna, a potem kostna os�ona struny grzbietowej (kt�ra zarazem ulega�a redukcji). I to ju� by�y kr�gowce. Rozpocz�� si� ich ewolucyjny rozkwit. 24 Kr�gowce s� podtypem typu strunowc�w. Podtyp ten dzieli si� na nast�puj�ce gromady: kr�g�ouste ryby p�azy gady ptaki ssaki Rekiny wcale nie maj� ko25 �ci. Ca�y ich szkielet jest zbudowany z chrz�stek, fakt ten wyja�nia ich gi�tko�� podczas p�ywania. S� przedstawicielami najbardziej prymitywnych form ryb. Oceany roi�y si� od ryb ju� 400 milion�w lat temu. W�a�nie ryby by�y wtedy najbardziej rozwini�t� form� kr�gowc�w. Wiele z tych pradawnych ryb mia�o ju� szkielety kostne. By�y w�r�d nich tak�e olbrzymie ryby z pancerzami na g�owach i cia�ach - teraz nale��ce ju� do wymar�ych. Ryby kostnoszkieletowe, do kt�rych obecnie zaliczaj� si� wszystkie gatunki ryb z wyj�tkiem rekin�w, rozwija�y si� w wodzie s�odkiej i dopiero p�niej przenios�y si� do m�rz. Tajemnica 21 Niekt�re prymitywne ryby 26 mia�y p�uca i mog�y oddycha� powietrzem atmosferycznym. Pierwsze ryby kostnoszkieletowe mia�y p�uca - prawdopodobnie po to, by m�c pobiera� wi�cej tlenu. U wi�kszo�ci ryb p�uca te przekszta�ci�y si� w p�cherz p�awny i nie s� ju� u�ywane do oddychania. Dawniej s�dzono, �e morskie ryby p�ucodyszne wymar�y przesz�o 70 milion�w lat temu, lecz w 1939 r. pewien rybak wy�owi� w Oceanie Indyjskim �ywy okaz ryby maj�cej szcz�tkowe p�uco. Potem znaleziono ich wi�cej i nie ma w�tpliwo�ci, �e przynajmniej jedno "kopalne" zwierz� jest ci�gle jeszcze w�r�d nas. Wydaje si� przy tym do�� niezwyk�e, �e cz�owiek jest bliski dokonania tego, z czym nie poradzi�a sobie natura. "�yj�ce skamienia�o�ci" z Oceanu Indyjskiego sta�y si� tak cennymi okazami muzealnymi, �e grozi im ca�kowite wyt�pienie przez miejscowych rybak�w. Z~/ P�azy, takie jak �aby i salamandry, pochodz� od ryb p�ucodysznych. O ich pochodzeniu �wiadczy fakt, �e ci�gle jeszcze sp�dzaj� w wodzie cz�� swojego cyklu rozwojowego. Krokiem decyduj�cym w ich ewolucji by�o przekszta�cenie p�etw w nogi, co umo�liwi�o im wyj�cie na l�d i poruszanie si� w nowym �rodowisku. ~~ Gady by�y pierwszymi kr�gowcami ca�kowicie przy stosowanymi do �ycia na l�dzie. Nale�� do nich ��wie, jaszczurki, w�e i krokodyle. R�ni� si� one od p�az�w nast�puj�cymi cechami: maj� �uski (co pozwala im zmniejszy� utrat� wody), sk�adaj� jaja zasobne w ��tko (dzi�ki temu m�ode mog� podrosn�� troch�, zanim si� wykluj�), maj� serce zdolne do rozprowadzania tlenu po ca�ym organizmie z wi�ksz� wydajno�ci� oraz bardziej z�o�ony m�zg. Ptaki pochodz� od gad�w. 29 Ich cechami charakterystycznymi s�: pi�ra (wykszta�cone z �usek), serce z dwiema ca�kowicie rozdzielonymi komorami i wi�kszy ni� u gad�w m�zg. Maj� r�wnie� mostek z grzebieniem kostnym w klatce piersiowej, do kt�rego s� przymocowane mi�nie u�ywane do latania ("bia�e mi�so"). Pierwotnie wszystkie ptaki by�y przystosowane do latania, jednak niekt�re z nich, na przyk�ad strusie, porzuci�y ten spos�b �ycia. 22 BIOLOGIA KLASYCZNA '~~% Ptaki s� sta�ocieplne. P�azy J V i gady s� zmiennocieplne, co oznacza, �e temperatura ich cia�a zale�y od temperatury otoczenia. Z tego powodu �aby i w�e s� tak niemrawe rano i wiele czasu sp�dzaj� wygrzewaj�c si� w s�o�cu. W odr�nieniu od p�az�w i gad�w przemiana materii ptak�w umo�liwia im utrzymanie sta�ej temperatury cia�a. Wsp�cze�nie tylko ptaki i ssaki s� obdarzone t� cech�, chocia� trwaj� dyskusje, czy ju� niekt�re z dinozaur�w nie by�y sta�ocieplne. Ssaki to zwierz�ta, kt�re 31 maj� w�osy, du�e m�zgi i karmi� mlekiem swoje ma�e. R�wnie� s� sta�ocieplne. Cz�owiek, podobnie jak wi�kszo�� du�ych zwierz�t, nale�y do ssak�w. Sta�ocieplno�� umo�liwia ssakom funkcjonowanie w klimatach zimnych, gdzie nie mog�yby przetrwa� zwierz�ta zmiennocieplne, a du�e m�zgi pozwalaj� na pos�ugiwanie si� r�nymi strategiami spo�ecznymi, niedost�pnymi dla innych form �ycia. Ssaki nie pojawi�y si� nagle po znikni�ciu z powierzchni Ziemi dinozaur�w. Obecne by�y ju� w tzw. epoce gad�w, jednak w erze mezozoicznej we wszystkich ekosystemach odgrywa�y podrz�dn� rol�. By�y stworzeniami wielko�ci myszy i z trudem utrzymywa�y si� przy �yciu w �wiecie zamieszkanym przez wielkie gady. Ssaki rozwin�y si� dopiero wtedy, gdy zostali usuni�ci ich wielcy rywale. Jak zbudowane s� zwierz�ta Kaide zwierz� jest sum� 32 uk�ad�w jego narz�d�w. Kom�rki, kt�re �yj� w twoim ciele (i cia�ach wszystkich zwierz�t), nie s� bez�adnie rozsypane, lecz sk�adaj� si� na narz�dy, takie jak �o��dek lub serce. Narz�dy te z kolei wchodz� w sk�ad uk�ad�w, takich jak uk�ad pokarmowy lub krwiono�ny. Dopiero zestaw uk�ad�w tworzy ca�e zwierz�. Uk�ad pokarmowy 33 Uk�ad pokarmowy przetwarza zjedzone po�ywienie na substancje, kt�re mog� by� wykorzystane przez kom�rki. Pokarmem zwierz�t s� ro�liny lub zwierz�ta. Uk�ad pokarmowy jest zwykle rur� ci�gn�c� si� przez ca�e cia�o. Wzd�u� tej rury przesuwa si� pokarm. W trakcie przesuwania enzymy rozk�adaj� du�e cz�steczki pokarmu na mniejsze, wch�aniane nast�pnie przez cia�o zwierz�cia. W sk�ad uk�adu pokarurowego wchodz� narz�dy realizuj�ce to zadanie. 34 Trawienie u cz�owieka rozpoczyna si� w jamie ustnej ju� podczas �ucia jedzenia. Wtedy pokarm zostaje rozdrobniony na ma�e kawa�ki, a jednocze�nie enzymy zawarte w �linie rozk�adaj� skrobi�. Matka mia�a wi�c racj�, namawiaj�c ci� do starannego �ucia podczas jedzenia. 2 Trawienie u cz�owieka konJ~ tynuowane jest w �o��dku i w jelitach. Kwas solny w �o��dku zabija drobnoustroje i umo�liwia dzia�anie pepsynie - enzy Uklad pokarmowy 23 mowi rozpoczynaj�cemu trawienie bia�ka. Enzymy wytwarzane w �ciankach jelita cienkiego, w w�trobie i w trzustce wykonuj� zadanie podstawowe - rozk�adaj� w�glowodany, bia�ka, t�uszcze i kwasy nukleinowe. Produkty rozk�adu s� wch�aniane przez �cianki jelita cienkiego. W jelicie grubym, zanim pozosta�o�� zostanie wydalona z organizmu, ze strawionego pokarmu jest odbierana woda. Wiele symbiotycznych bak36 tern �yje w jelicie grubym cz�owieka. Najs�ynniejsz� z nich jest Escherichia coli (nazywana w skr�cie E. coli). Du�a cz�� naszej wiedzy z dziedziny biologii molekularnej pochodzi z do�wiadcze� prowadzonych z wykorzystaniem laboratoryjnych kultur tej bakterii. Krowy nale�� do ro�lino�er37 c�w prze�uwaj�cych. Podobnie jak wiele innych zwierz�t nie maj� w swoim uk�adzie pokarmowym niczego, co by im umo�liwi�o samodzielne strawienie celulozy. Zamiast tego prze�uty pokarm przechodzi do komory �o��dka, zwanej �waczem, umieszczonej przed �o��dkiem w�a�ciwym. W �waczu pokarm zaczy 24 BIOLOGIA KLASYCZNA naj� rozk�ada� zamieszkuj�ce tam pierwotniaki. Co pewien czas krowa zwraca pokarm do jamy g�bowej, gdzie jest ponownie prze�uwany. Wst�pnie strawiona trawa (teraz ju� w formie kwas�w thzszczowych) wraz z pierwotniakami przechodzi z kolei do w�a�ciwego �o��dka i tam jest trawiona do ko�ca. ~~ Krowy nie s� stuprocentowymi wegetarianka mi. Symbiotyczne pierwotniaki w ich przewodzie pokarmowym odgrywaj� podw�jn� rol�. �yj�c w �waczu, rozk�adaj� celuloz� i przetwarzaj� j� na bia�ka zu�ywane do budowy w�asnego cia�a. Gdy gin�, ulegaj� przesuni�ciu do dalszych odcink�w przewodu pokarmowego, gdzie zostaj� strawione. Tym samym dostarczaj� krowie gotowego bia�ka. Narz�dy zmys��w 39 Zwierz�ta uzyskuj� informacj� o swoim otoczeniu za pomoc� narz�d�w zmys��w. Narz�dy te reaguj� zwykle na jeden z czterech rodzaj�w sygna��w: �wiat�o, bod�ce mechaniczne, temperatur� i st�enie okre�lonych zwi�zk�w chemicznych. Pi�� zmys��w cz�owieka to: wzrok (wykrywaj�cy �wiat�o), w�ch i smak (wra�liwe na substancje chemiczne) oraz dotyk i shzch (wyczuwaj�ce ci�nienie i drgania). Nie mamy �adnego specjalnego narz�du zmys�u, s�u��cego do wykrywania temperatury. Mamy natomiast wiele receptor�w termicznych rozsianych po ca�ej powierzchni cia�a. dn Zwierz�ta maj� oczy proste '~V lub z�o�one. Niekt�re zwierz�ta jednokom�rkowe maj� �wiat�oczu�e plamki na swoich zewn�trznych powierzchniach, umo�liwiaj�ce odr�nianie �wiat�a od ciemno�ci. Dzi�ki temu mog� p�yn�� w kierunku �wiat�a, tzn. ku powierzchni zbiornik�w wodnych, w kt�rych �yj�. Owady maj� oczy z�o�one. Oczy owad�w i innych stawonog�w sk�adaj� si� z wielu jednostek, z kt�rych ka�da ma w�asn� soczewk�. Ka�da cz�� oka owada jest w rzeczywisto�ci oddzielnym "miniokiem" posiadaj�cym w�asn� soczewk� skupiaj�c� �wiat�o na pojedynczym receptorze. Owad zatem widzi �wiat jako mozaik� po�o�onych obok Narz�dy zmyst�w 25 siebie plamek. Nie dostrzega tak wielu szczeg��w jak my, lecz mo�e lepiej rejestrowa� ruch. Wa�ki maj� w ka�dym 41 oku z�o�onym ponad dwadzie�cia tysi�cy soczewek. Oczy cz�owieka i wi�kszo�ci 42 kr�gowc�w s� skomplikowane. �wiat�o wpada do oka przez otw�r �renicy (czarn� plamk� w �rodku t�cz�wki). Mi�nie w oku napinaj� si� i rozlu�niaj�, zmieniaj�c w ten spos�b ogniskow� soczewki. Umo�liwia to ostre widzenie przedmiot�w znajduj�cych si� w r�nych odleg�o�ciach od patrz�cego. �wiat�o skupia si� n~ siatk�wce znajduj�cej si� na tylnej �ciance oka, gdzie zachodz� reakcje chemiczne (patrz ni�ej) wywo�uj�ce impuls nerwowy przenoszony przez nerw wzrokowy do m�zgu. W oku znajduj� si� dwa rodzaje kom�rek wra�liwych na �wiat�o - czopki i pr�ciki. Nazwy te pochodz� od kszta�tu tych kom�rek. Pr�ciki s� wra�liwe na �wiat�o o ma�ym nat�eniu i niewra�liwe na barwy. To one pozwalaj� widzie� po ciemku. Za widzenie barwne odpowiadaj� trzy rodzaje czopk�w wra�liwych na kolory niebieski, czerwony i zielony. I w czopkach, i w pr�cikach znajduj� si� du�e cz�steczki, kt�re absorbuj� fotony i wywo�uj� impulsy w nerwie wzrokowym. �aby, ptaki, jaszczurki i lu43 dzie rozr�niaj� kolory a psy nie. Spos�b, w jaki widzisz kolory, jest bardziej z�o�ony, ni� m�g�by� przypuszcza�. Barwa zale�y od �wiat�a padaj�cego - wyja�nia to, dlaczego ubrania maj� inne kolory w sklepie, gdzie s� o�wietlone �wiat�em jarzeniowym, a inne na ulicy, w �wietle s�onecznym. Barwa zale�y r�wnie� od tego, w jaki spos�b zostanie przetworzona w oku - malarze na przyk�ad wiedz� od dawna, �e kiedy po�o�� kolor niebieski obok ��tego, to obszar w pobli�u granicy mi�dzy tymi kolorami b�dzie si� wydawa� bia�awy, a sama granica b�dzie rozmyta. Postrzegana barwa zale�y te� od wcze�niejszego do�wiadczenia patrz�cego. Je�eli poka�e si� ludziom ceg�� i drzewo w tym samym odcieniu szaro�ci, to zobacz� ceg�� jako czerwonaw�, a drzewo jako zielonkawe. Oko nie jest podobne do 44 kamery telewizyjnej. Ka 26 BIOLOGIA KLASYCZNA mera TV tworzy obraz, zamieniaj�c to, co widzi, w szereg jasnych i ciemnych plamek (w przypadku telewizji kolorowej w trzy szeregi plamek - po jednym dla ka�dej barwy podstawowej). Mi�dzy ka�dym miejscem na ogl�danym przedmiocie a ka�dym miejscem na obrazie istnieje bezpo�redni zwi�zek i jest on zachowany podczas kolejnych proces�w, za pomoc� kt�rych kamera tworzy obraz. Innymi s�owy, mo�na przerwa� proces w ka�dym punkcie i powiedzie�: "Ten sygna� elektroniczny pochodzi od tej konkretnej plamki na tym dok�adnie li�ciu". W m�zgu nie dzieje si� nic podobnego. Cz�� kory m�zgowej odpowiedzialna za widzenie mo�e by� po��czona z r�nymi cz�ciami siatk�wki i proces widzenia jest bardzo z�o�ony. Okaza�o si� na przyk�ad, �e pewna cz�� kory m�zgowej dobrze rozpoznaje linie poziome, inna cz�� - linie pionowe, a jeszcze inna - kraw�dzie obiekt�w itd. Ta z�o�ona struktura m�zgu jest powodem jego wielkiej przewagi w przetwarzaniu informacji wizualnej nad najszybszymi nawet komputerami, kt�re, podobnie jak kamera TV, musz� przetwarza� informacje po kolei. 45 Narz�dy s�uchu reaguj� na ci�nienie wywierane przez fale d�wi�kowe. W uchu cz�owieka fale d�wi�kowe wywo�uj� drgania b�ony b�benkowej podobne do drga� sk�ry na b�bnie. Ruch ten jest przenoszony przez szereg ma�ych kosteczek do ucha wewn�trznego, gdzie wywo�uje zmiany ci�nienia w cieczy zawartej w kanale o kszta�cie spirali, zwanym �limakiem. Te zmiany ci�nienia wywo�uj� odkszta�cenia wra�liwych na nie kom�rek, kt�re z kolei wysy�aj� sygna� do m�zgu. 46 Nie wszystkie zwierz�ta maj� narz�dy s�uchu na g�owie. Niekt�re motyle nocne posiadaj� odpowiednik b�ony b�benkowej na �rodku tu�owia, paj�ki i �wierszcze - na nogach. ~~ Smak i w�ch wymagaj� odbiornik�w sygna��w chemi cznych. Aby poczu� smak czego�, cz�steczki tej substancji musz� wej�� w kontakt z wyspecjalizowanymi kom�rkami, kt�re s� cz�ci� kubk�w smakowych na j�zyku. Aby co� wyczu�, cz�steczki w�chanej substancji musz� przedosta� si� poprzez powietrze Ko�ci i mi�nie 27 do twojego nosa, gdzie kontaktuj� si� z wyspecjalizowanymi kom�rkami. W obu przypadkach oddzia�ywanie cz�steczek na kom�rki powoduje powstanie sygna��w przesy�anych przez uk�ad nerwowy do m�zgu. Legendarny psi w�ch ma odbicie w anatomii tych zwierz�t. Pies ma w swoim nosie ponad 200 milion�w kom�rek w�chowych, podczas gdy cz�owiek tylko 5 milion�w. Czy�by�my co� tracili? dQ Samica jedwabnika og�a'!V sza, �e jest zdolna do zap�odnienia, wydzielaj�c substancj� nazywan� bombikolem. Stanowi ona sygna� chemiczny wywo�uj�cy zmian� zachowania osobnika p�ci przeciwnej. Samiec mo�e wyczu� te "perfumy", kiedy ich rozcie�czenie wynosi jedn� cz�steczk� na trylion cz�steczek powietrza. Jest to prawdopodobnie najbardziej fantastyczne osi�gni�cie zmys�u powonienia w kr�lestwie zwierz�t. Na zmys� dotyku sk�ada si� 49 wiele r�nych rodzaj�w kom�rek nerwowych, b�d�cych receptorami. Tu� pod powierzchni� sk�ry znajduj� si� kom�rki ner wowe sygnalizuj�ce b�l oraz takie, kt�re reaguj� na si�� nacisku dotkni�cia. G��biej znajduje si� ca�a sie� kom�rek pe�ni�cych funkcje dotykowe. S� tam nawet kom�rki przytwierdzone do torebek w�os�w. Sygnalizuj� one dotkni�cie w�osa. Muchy maj� na swych cia�ach kom�rki wra�liwe na ci�nienie powietrza, kt�re sygnalizuj� im, kiedy zbli�a si� ku nim du�e cia�o - poruszaj�c si� spr�a ono powietrze. Dlatego tak trudno uderzy� much� r�k�, a packi na muchy maj� dziury, przez kt�re mo�e wydosta� si� powietrze. Ko�ci i mi�nie ~[~ Ka�de zwierz� musi mie� U jaki� spos�b przeciwstawie nia si� sile grawitacji. Najpospolitszym rozwi�zaniem problemu jest szkielet na zewn�trz cia�a, nazywany zewn�trznym (jak u owad�w i mi�czak�w), lub wewn�trz cia�a, wewn�trzny (jak u cz�owieka). Struktury odpowiadaj�ce obu tym strategiom nosz� nazwy endoszkieletu i egzoszkieletu. 51 Szkielet wewn�trzny kr�gowc�w sk�ada si� z ko�ci i chrz�stek. Ko�ci pojawiaj� si� 28 BIOLOGIA KLASYCZNA w tych miejscach, w kt�rych jest potrzebna sztywno�� i wytrzyma�o�� na obci��enia, a chrz�stki tam, gdzie jest potrzebna spr�ysto��. Na przyk�ad tw�j nos i krta� s� zbudowane z chrz�stek. Chrz�stki s�u�� te� jako amortyzatory w stawach. W stawach cz�ci szkieletu s� po��czone za pomoc� wi�zade�, tj. twardych, ma�o elastycznych pasm, kt�re ��cz� ko�ci po jednej stronie stawu z ko��mi po drugiej jego stronie. Ma�a elastyczno�� wi�zade� i ich powolne gojenie si� wyja�niaj�, dlaczego kontuzje kolana maj� cz�sto zgubne skutki dla kariery sportowc�w. 52 W cele cz�owieka wyst�puj� dwa rodzaje mi�ni. Mi� �nie s� zbudowane z wi�zek d�ugich kom�rek, kt�re kurcz� si�, gdy otrzymaj� odpowiedni sygna� od uk�adu nerwowego. Najprostsze mi�nie w ciele cz�owieka to mi�nie g�adkie, odpowiedzialne za ruchy bezwiedne, takie jak rozszerzanie �renic, skurcze jelit i �o��dka. Mi�nie poprzecznie pr��kowane umo�liwiaj� nam poruszanie si�. Maj� bardziej z�o�on� budow� ni� mi�nie g�adkie i powsta�y p�niej w procesie ewolucji. Specjalna grupa mi�ni poprzecznie pr��kowanych powoduje rytmiczne ruchy serca pompuj�cego krew. Jaki rodzaj mi�ni masz na my�li, kiedy m�wisz dziecku: "Poka� muskuiy!"? Odpowied�: Poprzecznie pr��kowane. 53 Mi�nie s� przy��czone do ko�ci za pomoc� �ci�gien. Kiedy mi�nie si� kurcz�, poci�gaj� za sob� �ci�gna, �ci�gna poci�gaj� ko�ci i nast�puje ruch. "�okie� tenisisty", czyli zapalenie �ci�gien w stawie �okciowym, jest schorzeniem pospolitym. Mo�e je wywo�a� ka�dy d�ugo powtarzaj�cy si� ruch, powoduj�cy przeci��enie. Ja na przyk�ad dorobi�em si� "�okcia tenisisty", u�ywaj�c pi�y �a�cuchowej do pi�owania drewna na opa�. Uk�ad nerwowy 54 Uk�ad nerwowy zwierz�t gromadzi informacje, prze twarza je i wywo�uje odpowiednie reakcje. Obwodowy uk�ad ner Ukiad nerwowy 29 wowy zbiera informacje od narz�d�w zmys��w zwierz�t i przekazuje je do o�rodkowego uk�adu nerwowego (u cz�owieka jest nim m�zg i rdze� kr�gowy), gdzie s� przetwarzane. Kiedy zostanie ju� podj�ta decyzja co do reakcji na powsta�� sytuacj�, o�rodkowy uk�ad nerwowy wysy�a odpowiednie sygna�y do autonomicznego uk�adu nerwowego (kontroluj�cego dzia�ania mimowolne, na przyk�ad bicie serca) i somatycznego uk�adu nerwowego (reguluj�cego reakcje ruchowe zale�ne od woli, takie jak poruszanie ko�czyn�). Impulsy nerwowe r�ni� si� 55 od zwyk�ego pr�du elektrycznego. Przenoszone s� przez uk�ad nerwowy wzd�u� nerw�w stanowi�cych sie� pojedynczych kom�rek nerwowych zwanych neuronami. Ka�dy nerw mo�e przenosi� wiele impuls�w jednocze�nie, podobnie jak kabel mo�e przekaza� wiele niezale�nych rozm�w telefonicznych. Punkty zetkni�cia mi�dzy ko�cami poszczeg�lnych neuron�w nazwano synapsami, a d�ugie, cienkie cz�ci kom�rki nerwowej (przewody, wzd�u� kt�rych jest przenoszony impuls) - aksonami. W uk�adach elektronicznych, takich jak aparatura stereo, sygna�y s� przenoszone przez przewody wskutek ruchu elektron�w. W nerwach impulsy wywo�uj� ruch jon�w potasu i sodu poprzez b�on� kom�rkow� aksonu. Kiedy impuls dotrze do ko�ca neuronu, wydziela si� w nim substancja chemiczna nazywana transmiterem. Transmiter wywo�uje pobudzenie nast�pnego neuronu i impuls przemieszcza si� dalej. Typowy czas reakcji neuronu jest r�wny 1 milisekundzie (0,001 s), czyli jest ponad tysi�c razy wolniejszy ni� analogiczny element w komputerze osobistym. Uk�ad nerwowy wy�szych 56 zwierz�t jest w wysokim stopniu scentralizowany. U zwierz�t takich jak stu�bia jest r�wnomiernie rozproszony w ca�ym ciele - przypomina sie�. U wy�szych form zar�wno narz�dy zmys��w, jak i cz�ci uk�adu nerwowego, kt�re przetwarzaj� informacj� i wywo�uj� odpowiedni� reakcj�, s� umieszczone w g�owie. U p�azi�c�w i oble�c�w ten centralny uk�ad steruj�cy jest po prostu zwojem nerw�w. U kr�gowc�w natomiast tworzy z�o�on� struktur�, kt�r� nazywamy m�zgiem. 30 BIOLOGIA KLASYCZNA ~% Poszczeg�lne cz�ci m�zgu I cz�owieka spe�niaj� r�ne zadania. W m�zgu mo�na wyr�ni� trzy g��wne cz�ci: przedni�, �rodkow� i tyln�. Elementem tylnej cz�ci m�zgu, le��cej przy podstawie czaszki, w miejscu, gdzie wchodzi do niej rdze� kr�gowy, jest tzw. m�d�ek, kt�ry koordynuje ruchy automatyczne, na przyk�ad wykonywane w celu odzyskania r�wnowagi. Przednia cz�� m�zgu ma posta� p�kul m�zgowych, kt�rych zewn�trzn� warstw� stanowi kora m�zgowa (tzw. istota szara), i w�a�nie w niej s� przetwarzane dane pochodz�ce od narz�d�w zmys��w. W korze m�zgowej s� ulokowane o�rodki wy�szych funkcji intelektualnych, jak wyobra�nia, rozumowanie i pami��. W �rodkowej cz�ci m�zgu maj� swoje �r�d�o emocje. Tu s� te� zakodowane wrodzone programy zachowa�. Q Uczeni nie w pe�ni jeszcze ~V rozumiej� z�o�ono�� m�zgu. W ksi��kach popularnych mo�na dostrzec tendencj� do zbyt uproszczonego widzenia roli trzech cz�ci m�zgu: cz�� tylna - nie�wiadoma, prymitywna egzystencja, cz�� �rodkowa - zwierz�ce emocje, cz�� przednia (kora m�zgowa) - funkcje "wy�sze". Mo�na si� tak�e zetkn�� z inn� interpretacj�: cz�� tylna = id, cz�� �rodkowa = ego, kora m�zgowa = superego. Nie jest to takie proste! Badanie z�o�ono�ci m�zgu cz�owieka jest zaj�ciem, kt�re zajmie naukowcom jeszcze du�o czasu. Przedstawione powy�ej, nadmiernie uproszczone podzia�y funkcji nie s� ju� przez nauk� akceptowane. 59 Opr�cz systemu sygna��w przenoszonych przez nerwy zwierz�ta kontroluj� funkcjonowanie swego organizmu za pomoc� hormon�w. Substancje te s� wydzielane przez wyspecjalizowane gruczo�y zwane dokrewnymi. Hormony kr��� z krwi� po ca�ym organizmie i maj� wp�yw na dzia�anie r�nych narz�d�w. U cz�owieka gruczo�y dokrewne tworz� tzw. uk�ad endokrynalny (wydzielania wewn�trznego). A oto przyk�ad dzia�ania hormon�w. Gdy jeste� przera�ony, gruczo�y po�o�one w s�siedztwie nerek wydzielaj� adrenalin�, kt�ra powoduje przyspieszenie akcji serca i zwi�kszenie dop�ywu krwi do mi�ni. Kr��enie, oddychanie, wydalanie 31 Kr��enie, oddychanie, wydalanie C(~ Utlenianie (spalanie) jest vU podstawow� reakcj� chemiczn� dostarczaj�c� zwierz�tom energi�. Warunkiem zachodzenia tych reakcji jest istnienie systemu doprowadzaj�cego tlen najpierw do wn�trza cia�a, a nast�pnie do pojedynczych kom�rek, oraz sposobu usuwania zb�dnych produkt�w reakcji z kom�rek i z ca�ego cia�a. Wykonanie tych zada� zapewniaj� trzy wsp�zale�ne procesy: wymiana gazowa (pobieranie tlenu i usuwanie dwutlenku w�gla), kr��enie (rozprowadzanie tlenu do kom�rek i odbieranie od nich zb�dnych produkt�w reakcji) oraz wydalanie (usuwanie z cia�a ubocznych produkt�w przemiany materii). 1 Spos�b, w jaki zwierz� po1 Mera tlen z otoczenia, zale �y od jego rozmiaru oraz od tego, czy �yje ono w wodzie, czy na l�dzie. Zwierz�ta jednokom�rkowe pobieraj� wystarczaj�c� ilo�� tlenu (i wydalaj� dwutlenek w�gla) drog� dyfuzji ca�� powierzchni� cia�a. Nie potrzebuj� �adnego uk�adu oddechowego. U zwierz�t oddychaj�cych skrzelami (skoru puki i ryby) listki skrzelowe zawieraj�ce naczynia krwiono�ne stale op�ukuje woda. Nast�puje w�wczas dyfuzja tlenu z wody do krwi, a dwutlenku w�gla w odwrotnym kierunku. P�uca s� przystosowaniem do �ycia na l�dzie. Powietrze jest wci�gane do wn�trza p�uc i pozostaje tam przez czas potrzebny na to, aby nast�pi�a wymiana gazowa. Owady nie maj� p�uc, lecz wiele rurek, zwanych tchawkami, kt�re rozprowadzaj� po ca�ym organizmie tlen, dostaj�cy si� przez otworki na powierzchni cia�a. Sta�ocieplne zwierz�ta 62 wodne, kt�re z powodu swoich rozmiar�w potrzebuj� mn�stwa tlenu, nie mog� uzyska� go z wody w wystarczaj�cej ilo�ci. Okre�lona obj�to�� wody zawiera tylko kilka procent tego tlenu, kt�ry znajduje si� w tej samej obj�to�ci powietrza. Dlatego wieloryby i mor�winy oddychaj� powietrzem atmosferycznym. Na dodatek, w miar� nagrzewania si� wody, zmniejsza si� ilo�� zawartego w niej tlenu. Wskutek tego ciep�a woda zawiera mniej tlenu ni� zimna. Jest to przyczyn� przenoszenia si� 32 BIOLOGIA KLASYCZNA ryb w ci�gu dnia w miejsca g��bsze (i ch�odniejsze). 63 zwierz�ta o wy�szym poziomie zorganizowania ma j� serca. Zadaniem uk�adu kr��enia jest dostarczanie tlenu i substancji pokarmowych kom�rkom organizmu i usuwanie z nich zb�dnych produkt�w przemiany materii. U prostszych zwierz�t, takich jak nicienie, krew po prostu przelewa si� w jamie cia�a. U zwierz�t bardziej zaawansowanych w rozwoju krew jest pompowana przez serce. Serce kr�gowc�w jest zbudowane z dw�ch rodzaj�w jam - te, do kt�rych krew nap�ywa, nosz� nazw� przedsionk�w, a te, z kt�rych krew jest wypychana, nazywamy komorami. Ryby maj� jeden krwiobieg: krew z serca przep�ywa przez skrzela, gdzie si� natlenia, po czym jest rozprowadzana po ca�ym organizmie. Oddawszy tlen kom�rkom cia�a, powraca do serca. Serce ryb sk�ada si� z dw�ch jam - przedsionka i komory. Serce cz�owieka jest czterojamowe - sk�ada si� z dw�ch przedsionk�w i dw�ch kom�r. Pozwoli�o to na wykszta�cenie si� dw�ch obieg�w krwi. Jeden zestaw jam obs�uguje tzw. obieg ma�y, t�ocz�c krew do p�uc i odbieraj�c j� stamt�d w formie natlenionej. Drugi zestaw jam obs�uguje obieg du�y, rozprowadzaj�c natlenion� krew po ca�ym ogranizmie i doprowadzaj�c do serca krew odtlenion�. Krew wyp�ywa z serca t�t64 nicami, a dop�ywa do niego �y�ami. U cz�owieka krew wyp�ywa z lewej komory do rozga��zionego uk�adu coraz drobniejszych t�tnic, przechodz�cych w sie� naczynek o bardzo ma�ych �rednicach, zwanych naczyniami w�osowatymi. Naczynia w�osowate przenikaj� ca�e cia�o. W nich odbywa si� proces przechodzenia tlenu z krwi do kom�rek, a tak�e proces przechodzenia dwutlenku w�gla i innych zb�dnych produkt�w przemiany materii z kom�rek do krwi. Do serca krew wraca �y�ami, kt�re doprowadzaj� j� do prawego przedsionka, sk�d przechodzi do prawej komory. Z prawej komory krew p�ynie do p�uc, gdzie si� pozbywa dwutlenku w�gla i pobiera tlen. Z p�uc krew wraca do lewego przedsionka, potem do lewej komory i obieg si� powtarza. Kr��enie krwi odkry� Wil65 liam Harvey (1578-1657). Rola serca w kr��eniu krwi nie Kr��enie, oddychanie, wydalanie 33 by�a rozpoznana a� do opublikowania pracy Harveya w 1628 r. Tak wi�c ludzie przez wi�ksz� cz�� swojej historii my�leli, �e krew si� nie przemieszcza. Dokonuj�c klasycznych eksperyment�w, Harvey ustali� to, co teraz wiemy o kr��eniu krwi. Typowe jego do�wiadczenie wygl�da�o nast�puj�co. Zak�ada� opask� uciskow� na czyje� rami� i kiedy �y�y nabrzmia�y, naciska� je, by si� przekona�, w kt�rym kierunku p�ynie krew. W ten spos�b odkry�, �e krew w �y�ach zawsze p�ynie w kierunku serca. 66 Ci�nienie wytwarzane przez pulsowanie serca nie wystar cza do przepchni�cia krwi przez ca�y krwiobieg z powrotem do serca, zw�aszcza w�wczas, gdy krew musi przebywa� drog� w g�r�. W trakcie przemieszczania si� krwi prac� serca wspomaga pulsowanie t�tnic, wyposa�onych we w�asn� mi�ni�wk�. Cofaniu si� krwi zapobiegaj� natomiast znajduj�ce si� w �y�ach zastawki. Krew jest substancj� bardzo ~~ z�o�on�. Ponad po�ow� obj�to�ci krwi stanowi ��ty p�yn nazywany osoczem, kt�ry przenosi wi�kszo�� chemicznych sk�adnik�w od�ywczych. Krwinki czerwone transportuj� tlen, a wi�ksze, lecz mniej liczne, krwinki bia�e broni� organizmu przed cia�ami obcymi i drobnoustrojami. Opr�cz osocza oraz bia�ych i czerwonych krwinek w sk�ad krwi wchodz� tak�e p�ytki krwi. Powstaj� one w szpiku kostnym i odgrywaj� wa�n� rol� w krzepni�ciu krwi. Krew zawdzi�cza swoj� czerwon� barw� niezbyt skomplikowanemu zwi�zkowi chemicznemu o nazwie hem. Centrum cz�steczki hemu stanowi pojedynczy atom �elaza, kt�ry ma wolne wi�zania dla czterech atom�w tlenu. Hem wraz ze specjalnym bia�kiem tworzy hemoglobin�. Schemat jej budowy nieco przypomina koronkow� serwetk�. Dzi�ki hemoglobinie krew przenosi cztery do siedmiu razy wi�cej tlenu, ni� mog�oby by� przeniesione, gdyby tlen tylko rozpuszcza� si� w osoczu. Q Krwinki czerwone nie ~V dziel� si�. Powstaj� w szpiku kostnym z pr�dko�ci� 140 000 na minut� i po kilku miesi�cach u�ytecznego �ycia ulegaj� zniszczeniu w �ledzionie. 34 BIOLOGIA KLASYCZNA Ka�de zwierz� musi w jaki� 69 spos�b usuwa� zb�dne produkty przemiany materii. Ka�dy organizm dysponuje mechanizmem zmiany sk�adu p�yn�w ustrojowych w celu pozbycia si� substancji zbytecznych lub szkodliwych. U zwierz�t zadanie to jest realizowane na r�ne sposoby. Proste zwierz�ta (takie jak p�azi�ce) maj� uk�ad wydalniczy w postaci kana��w zako�czonych specjalnie ukszta�towanymi kom�rkarm. Kom�rki te czerpi� roztw�r metabolit�w wprost z cia�a i kieruj� go do kana��w otwieraj�cych si� na zewn�trz. U innych zwierz�t (np. skorupiak�w) krew jest oczyszczana przez filtrowanie. Mo�e kiedy ostatnio jad�e� homary, zwr�ci�e� uwag� na zielone narz�dy u nasady czu�k�w - s� one uwa�ane za smako�yk. To s� w�a�nie narz�dy wydalnicze. ~%n Narz�dami wydalniczymi V kr�gowc�w s� nerki. Krew wp�ywaj�ca do nerki jest oczyszczana w licznych tzw. k��buszkach naczyniowych, nefronach, kt�re s� elementami czynno�ciowymi nerek. Krew jest tam filtrowan, a nast�pnie niekt�re substancje s� ponownie wch�aniane, a reszta przep�ywa z nerek do p�cherza moczowego i stamt�d jest wydalana poza organizm. Nerki to w istocie skomplikowane fabryki chemiczne, kt�re zachowuj� r�wnowag� r�nych substancji w organizmie, w tym tak�e wody. S� wyspecjalizowane w utrzymywaniu r�wnowagi wodnej twojego organizmu-mo�esz wypi� tylko litr wody dziennie albo a� kilkana�cie w czasie jednego posiedzenia i ci�gle jeszcze b�dziesz �y�. Jednak nerki nie mog� produkowa� moczu o st�eniu soli wi�kszym ni� 2 procent. Je�eli wypijesz roztw�r podobny do wody morskiej (kt�ra ma 3 procent soli), to nerki musz� zabra� dodatkow� wod� z twojego organizmu, �eby rozcie�czy� nadmiar soli w moczu. Wskutek tego procesu organizm ulega odwodnieniu. Wyja�nia to sens cytatu z Pie�ni o starym �eglarzu S. T. Coleridge'a: "Dooko�a woda, woda, ale do picia ani kropli". ~%'~ Bia�a cz�� ptasich od/ 1 chod�w to mocz. U cz�owieka ciek�e pozosta�o�ci przemiany materii s� zbierane w p�cherzu moczowym i wydalane jako p�ynny mocz. U owad�w, gad�w i ptak�w jest inaczej. Woda jest zabie Rozmna�anie sig i rozw�j zwierz�t 35 rana z moczu, a pozosta�y sztkami i wydalany wraz z nikwas moczowy jest mieszany mi. Zwierz�ta te nie wydalaj� ze sta�ymi nie strawionymi re- moczu oddzielnie. Rozmna�anie si� i rozw�j zwierz�t ~%'~ Zwierz�ta mog� rozmna�a� lr si� p�ciowo lub bezp�ciowo. W przypadku zwierz�t rozmna�aj�cych si� drog� p�ciow� potomek ma dwoje rodzic�w (z wyj�tkiem samozap�adniaj�cych si� obojnak�w) i ka�de z nich przekazuje po�ow� gen�w. Przy rozmna�aniu bezp�ciowym wszystkie geny pochodz� od jednego osobnika macierzystego. Organizmy jednokom�rkowe rozmna�aj� si� g��wnie bezp�ciowo. Bezp�ciowo mog� si� te� rozmna�a� g�bki, wypuszczaj�c p�czek na ciele osobnika macierzystego. P�czek ten nast�pnie si� odrywa i dalej rozwija si� ju� samodzielnie. I~' Wiele zwierz�t wy�szych ' J tak�e rozmna�a si� bezp�ciowo. Chocia� wi�kszo�� zwierz�t wy�szych ma dwoje rodzic�w, niekt�re z nich s� zdolne do rozmna�ania si� bezp�ciowego. ~/~ Kiedy zwierz�ta rozmna�aj� si� p�ciowo, to ka�de z dwojga rodzic�w przekazuje osobnikowi potomnemu po�ow� swoich gen�w. Zwierz�ta rozmna�aj�ce si� p�ciowo dzi�ki podzia�om redukcyjnym wytwarzaj� kom�rki zawieraj�ce po�ow� liczby gen�w. Kom�rki takie nazywaj� si� gametami. Gameta m�ska to plemnik, a �e�ska - jajo. Ka�de z rodzic�w przekazuje potomstwu jedn� z tych wyspecjalizowanych kom�rek i w ten spos�b organizm potomny ma komplet gen�w (po po�owie od ka�dego z rodzic�w). ~% Rozmna�anie p�ciowe mo�e odbywa� si� bez uprawiania seksu. Nie jest konieczne, aby dwoje zwierz�t kopulowa�o ze sob�. W przyrodzie spotyka si� wiele r�nych strategii zetkni�cia si� gamety m�skiej z �e�sk�. Mo�e to by� aktywno�� seksualna, jaka normalnie wyst�puje u ludzi, lecz 36 BIOLOGIA KLASYCZNA r�wnie� zachowanie tak bezosobowe, jak produkowanie przez osobniki m�skie i �e�skie ogromnej liczby gamet i puszczanie ich z pr�dem wody, w nadziei, �e odpowiednie kom�rki gdzie� si� ze sob� spotkaj�. Uk�ady rozrodcze ~/ C Pierwszym etapem rozmnaI o �ania si� zwierz�t jest wytworzenie gamet. Ka�de zwierz� rozmna�aj�ce si� p�ciowo ma specjalne kom�rki nazywane pierwotnymi kom�rkami p�ciowymi, kt�re wytwarzaj� albo jaja (�e�skie kom�rki p�ciowe), albo plemniki (m�skie kom�rki p�ciowe). Jaja s� zwykle wytwarzane w narz�dach zwanych jajnikami, a plemniki w j�drach. Narz�dy te mog�, lecz nie musz�, wyst�powa� razem w tym samym osobniku. Niekt�re g�bki, p�azi�ce i mi�czaki maj� narz�dy zar�wno m�skie, jak i �e�skie. Oczywi�cie cz�owiek ma albo tylko m�skie, albo tylko �e�skie. ~%~% Pierwotne kom�rki p�ciowe / / w narz�dach m�skich dziel� si� najpierw mitotycznie - powstaje w�wczas wielka liczba sperma tocyt�w. Spermatocyty przechodz� nast�pnie mejoz� (podzia� redukcyjny), w wyniku czego tworz� si� spermatydy. Te przekszta�caj� si� w dojrza�e plemniki o z�o�onej budowie; ich g��wki zawieraj� DNA, a d�ugie witki umo�liwiaj� poruszanie si�. Q Antonie van Leeuwen~V hoek (1632-1723) by� pierwszym cz�owiekiem, kt�ry zobaczy� ludzki plemnik i zrozumia� jego rol� w rozmna�aniu. Wierzy� jednak, �e g��wka ka�dego plemnika zawiera miniatur� istoty ludzkiej, kt�ra po zap�odnieniu osi�gnie dojrza�o��. ~%o Omne vivum ex ovo. WszysI l tko, co �yje, powsta�o z jaja. W t