Глава 5: Животно окружење

Људи се већ дуго занимају за живе ствари – колико различитих врста постоји, како изгледају, где живе, како су повезане и како се понашају. Научници траже одговоре на ова и многа друга питања о организмима који настањују Земљу. Прецизније, они настоје да развију концепте, начела и теорије који омогућавају људима да боље разумеју живо окружење.

Живи организми су сачињени од истих састојака као и сва друга материја, укључују исту врсту преображаја енергије и крећу се користећи исте основне врсте сила. Према томе, сва физичка начела разматрана у Глави 4, Физичко окружење, односе се на живот као и на звезде, кишне капи и телевизоре. Али живи организми имају и особине које се могу најбоље разумети применом неких других начела.

Ова глава нуди смернице у оквиру основног знања о томе како жива бића функционишу и како интерагују једна са другим и са својим окружењем. Ова глава се своди на шест главних тема: разноврсност живота, кроз биолошке особине организама на Земљи; пренос наследних особина са претходне генерације на следећу; грађа и функционисање ћелија, основних градивних јединица свих организама; међусобну зависност свих организама и њиховог окружења; ток материје и енергије кроз циклусе живота на великим скалама; како биолошка еволуција објашњава сличности и разноврсности живота.

РАЗНОВРСНОСТ ЖИВОТА

Постоје милиони различитих врста организама који насељавају Земљу у сваком тренутку – неки међусобно веома слични, неки врло различити. Биолози сврставају организме у хијерархије група и подгрупа на основу сличности и разлика у њиховој грађи и понашању. Једна од најопштијих разлика међу организмима је између биљака, које добијају енергију директно из Сунчеве светлости, и животиња, које се хране енергијки богатом храном коју су направиле биљке. Нису, међутим, сви организми очигледно биљке или животиње. На пример, постоје једноћелијски организми без организованог ћелијског језгра (бактерије) које су сврстане као одвојена група.

Животиње и биљке могу бити врло различитог облика, са различитом општом грађом и распоредом унутрашњих делова који изводе основне операције попут прављења или налажења хране, издвајања енергије и материје из ње, синтезе нових материја и размножавања. Када научници класификују организме, они узимају у обзир детаље анатомије као битније наспрам понашања или спољног изгледа. На пример, због таквих особина као што су млечне жљезде или структура мозга, китови и слепи мишеви су по класификацији сличнији једни другима него китови рибама или слепи мишеви птицама. На другачијем нивоу сродности, пси су сврстани заједно с рибама по томе што имају кичму, са кравама по томе што имају крзно, а са мачкама по томе што су месоједи.

За организме који се размножавају полно, болошки дефинисана врста обухвата све организме који се могу спарити једни са другима да произведу плодне потомке. Дефиниција врсте није прецизна; постоје гранични случајеви где је тешко донети одлуку о прецизној класификацији одређеног организма. Уистину, класификациони системи нису део природе. Ти системи представљају оквир који су биолози направили за лакше описивање мноштва разноврсних организама, и из којег се уочавају везе између живих бића и заокружују истраживачка питања.

Разноврсност облика живота на Земљи је очигледна не само на основу испитивања сличности и разлика у анатомији или понашању организама, већ и на основу сличности и разлика између њихових молекула. Најсложенији молекули изграђени у живим бићима су ланци мањих молекула. Различите врсте малих молекула су прилично сличне у свим облицима живота, али су особина одређене врсте специфични низови састојака који сачињавају врло сложене молекуле. На пример, ДНК молекули су дугачки ланци свега четири врсте мањих молекула, а чији тачан распоред кодира генетичке (генетске) информације. Блискост или удаљеност између организама може бити изведена и из степена у којем су њихови ДНК ланци слични. Повезаност организама изведена из сличности у њиховој молекулској структури готово се поклапа са класификацијом направљеном на основу анатомских сличности.

Одржавање разноврсности биљних и животињских врста је веома важно јер наш опстанак зависи од две мреже исхране из којих добијамо енергију и материје неопходне за живот. Једна мрежа почиње са микроскопским океанским биљкама и морским травама и укључује животиње које се хране њима и животиње које се хране тим животињама. Друга мрежа почиње копненим биљкама и укључује животиње које се хране њима и тако даље. Дубоке међузависности међу врстама стабилизују ове мреже исхране. Мали поремећаји на одређеном месту доводе до промена које настоје на крају да реконструишу првобитни систем. Велики поремећаји живих популација или њихових животних окружења, међутим, могу довести до неповратних промена у мрежама исхране. Одржавање разноврсности повећава вероватноћу да ће неке врсте имати особине повољне за преживљавање у измењеним условима.

НАСЛЕЂИВАЊЕ

Добро је познато да су потомци налик својим родитељима, мада показују и неке варијације: потомци се разликују у по нечему од својих родитеља а и једни од других. Током много генерација, ове разлике се накупљају, па организми могу бити врло различити у изгледу и понашању од својих далеких предака. На пример, људи су узгајали домаће животиње и биљке бирајући жељене особине; резултат су модерне врсте паса, мачака, живине, стоке, воћа и житарица које су очевидно различите од претходних. Неке промене  – у житарицама, например – могу бити толико велике да доводе до појаве нове врсте. У ствари, дешава се да се неке гране потомака исте родитељске врсте толико разликују да више не могу међусобно да се паре.

Упутства за развиће се прослеђују са родитеља на потомке кроз хиљаде гена, од којих је сваки, као што се сада зна, део молекула ДНК. Потомци аполних организама (клонови) наслеђују све родитељске гене. У полном размножавању биљака и животиња, специјализована ћелија из женске јединке спаја се са специјализованом ћелијом мушке јединке. Свака од ових полних ћелија садржи непредвидиво одабрану половину родитељевих генетских информација. Када се мушка полна ћелија споји са женском ћелијом током оплодње, образује се нова ћелија са једним комплетним скупом упарених генетских информација, комбинацијом половина од сваког родитеља. Како се оплођена ћелија умножава да би образовала ембрион или семенку или одраслу јединку, комбиновани скуп гена се копира у сваку нову ћелију.

Сортирање и комбиновање гена током полног размножавања доводи до велике разноврсности генских комбинација код потомака два родитеља. Постоје милиони различитих могућих комбинација гена у половинама које се налазе у свакој полној ћелији, а исто тако постоје милиони могућих комбинација таквих женских и мушких полних ћелија.

Међутим, нова мешања гена нису једини извор разноврсности у особинама организама. Иако генетске инструкције могу бити пренесене практично неизмењене хиљадама генерација, повремено неке од информација у ћелијској ДНК бивају измењене. Брисања, уметања или замене ДНК делова догађају се спонтано приликом случајних грешака у копирању, или могу бити изазвана хемикалијама или зрачењем. Уколико се мутирани ген налази у полној ћелији организма, његове копије могу да се пренесу на потомке, постају део њихових ћелија и могућно преносе потомцима нове или измењене особине. Неке од ових промењених особина могу да повећају способност организма да преживи и да се размножава, неке могу да смање ту способност, а неке могу да буду без икаквог утицаја.

ЋЕЛИЈЕ

Сви само-реплицирајући облици живота сачињени су од ћелија – од једноћелијских бактерија до слонова, сачињених од билиона ћелија. Иако неколицина џиновских ћелија, попут кокошјег јајета, могу бити виђене голим оком, већина ћелија је микроскопске величине. Многе основне функције организма одвијају се управо на ћелијском нивоу: синтеза протеина, извлачење енергије из хранљивих састојака, репликација итд.

Све живе ћелије имају сличне врсте сложених молекула који су укључени у ове основне жвотне активности. Ови молекули интерагују у буљону, који се 2/3 састоји  од воде, окруженом мембраном која контролише шта може да уђе и изађе из њега. У сложенијим ћелијама неке од уобичајених врста молекула су организоване у структуре које изводе исте основне функције али много ефикасније. Конкретно, једро обухвата ДНК а протеински скелет помажу организацију операција. Уз основне ћелијске функције уобичајене за све ћелије, већина ћелија у вишећелијским организмима обавља и неке специјалне задатке које остале не изводе. На пример, жлезде луче хормоне, мишићне ћелије се скраћују, а нервне ћелије проводе електричне сигнале.

Молекули у ћелији су сачињени од атома малог броја елемената – углавном угљеника, водоника, азота, кисеоника, фосфора и сумпора. Атоми угљеника, због своје мале величине и четири валентна електрона могу да се везују за друге атоме угљеника у ланце и прстенове образујући велике и сложене молекуле. Већина ових молекулских интеракција у ћелији одиграва се у воденом раствору и захтева заиста узак опсег температура и киселости. На ниским температурама реакције се одигравају сувише споро, док високе температуре или екстремне вредности киселости могу неповратно да униште труктуру протеинских молекула. Чак и мале промене у киселости могу да промене молекуле и начин на који они интерагују. Због тога, и једноћелијски и вишећелијски организми имају молекуле који омогућују одржавање киселости у ћелији унутар неопходног опсега.

Рад једне ћелије одвија се преко мноштва различитих молекула које она производи, углавном протеина. Протеински молекули су дугачки, углавном склупчани ланци сачињени од око 20 различитих врста амино-киселина. Функција сваког протеина зависи од специфичног редоследа амино-киселина и облика који ланац поприма као последица привлачења између различитих делова ланца. Неки од произведених молекула потпомажу копирање генетских информација, поправку ћелијских структура, помажу другим молекулима у уласку или изласку из ћелије и уопштено у катализи и регулисању молекулских интеракција. У специјализованим ћелијама постоје протеини који могу да преносе кисеоник, да утичу на контракције, да реагују на спољашње надражаје или да постану грађа за косу, нокте и друге телесне структуре. Опет у неким трећим ћелијама, произведени молекули могу бити излучени да служе као хормони, антитела или разлажући ензими.

Генетичке информације уписане у ДНК молекулима садрже упутства за градњу протеина. Овај запис је практично исти у свим облицима живота. Одатле, например, ако се ген из људске ћелије стави у бактерију, хемијска машинерија бактерије ће пратити упутства тог гена и направити идентичан протеин који би био направљен у људској ћелији. Промена у само једном атому у ДНК молекулу, која може бити учињена хемикалијама или зрачењем, може да промени протеин који се прави. Таква мутација ДНК сегмента може да буде без утицаја, може да смртоносно поремети рад ћелије, или може да промени процес у ћелији на значајан начин (на пример, може да потпомогне неконтролисану репликацију, као код рака).

Све ћелије организма су потомци једне једине оплођене јајне ћелије и имају исте ДНК информације. Током узастопних ћелијских деоба, мале разлика у ћелијском тренутном окружењу утичу да се нове ћелије развијају са малим разликама, активирањем или деактивирањем различитих делова ДНК информација. Нове генерације ћелија разликују се још више и коначно сазревају у сасвим различите ћелије попут жлезди, мишићних и нервних ћелија.

Сложене интеракције између безбројних врста молекула у ћелији могу да изазову посебне циклусе активности, попут раста и деобе. Контола ћелијских процеса такође долази споља: на понашање ћелије могу да утичу молекули из других делова организма или из других организама (например хормони и неуротрансмитери) који се каче за ћелијску мембрану или пролазе кроз њу и мењају брзине реакција међу ћелијским састојцима.

МЕЂУЗАВИСНОСТ РАЗЛИЧИТИХ ОБЛИКА ЖИВОТА

Свака врста је повезана директно или индиректно са мноштвом других врста у екосистему. Биљке обезбеђују храну, заклон и станишта за друге организме. Са друге стране, многе биљке зависе од животиња у погледу репродукције (пчеле оплођују цвеће, например) и снабдевања хранљивим састојцима (попут минерала у животињском ђубриву). Све животиње су део ланаца исхране који укључују биљке и животиње других врста (а понекад и истих врста). Веза грабљивац/плен је уобичајена, са нападачким средствима грабљиваца – зуби, кљунови, шапе, отрови итд – и одбрамбеним средствима плена – камуфлажа за сакривање, брзина за бежање, оклопи или бодље за заштиту, надражујуће супстанце за одбијање. Неке врсте зависе врло блиско једне од других (на пример, панде и коале могу да се хране само одређеним врстама дрвећа). Неке врсте су постале толико прилагођене једна другој да једна не може да преживи без друге (на пример, осе које се гнезде само у смоквама једини су инсекти који их оплођују).

Постоје и друге везе између организама. Паразити добијају храну из својих домаћинских организама, понекад са лошим последицама по домаћина. Стрвождери и разлагачи се хране само мртвим животињама и биљкама. С друге стране, неки организми имају обострано корисне везе – на пример, пчеле које скупљају нектар са цвећа узгред разносе полен од једног до другог цвета, или бактерије које живе у нашим цревима успут праве неке витамине и штите зидове црева од клица.

Али интеракција живих бића не догађа се у пасивној околини. Екосистеми су обликовани неживим окружењем земље и воде – сунчевим зрачењем, падавинама, концентрацијом минерала, температуром и рељефом. Свет се састоји од широког спектра физичких услова, што ствара широк опсег станишта: слатководна и океанска, шуме пустиње, травнате површине, тундре, планине и многа друга. У свим овим стаништима организми користе виталне ресурсе, сваки тражећи свој део на специфичан начин ограничен другим организмима. У сваком делу станишта погодног за живот, различити организми боре се за храну, место, светлост, топлоту, воду, ваздух и склониште. Повезане и променљиве интеракције свих облика живота и околине чине целину екосистема; разумевање било којег његовог дела захтева знање о томе како тај део интерагује са другим.

Међузависност организама у екосистему често одржава релативну стабилност система током стотина или хиљада година. Када би једна врста почела нагло да се размножава, њено неконтролисано ширење обуставља један или више чинилаца околине: мањак хране или места за гнезда, повећана смтрност због напада грабљиваца или инвазије паразита. Ако се догоди природна катастрофа попут поплаве или пожара, оштећени екосистем ће се највероватније опоравити у низу догађаја који ће на крају да доведу систем у првобитно стање.

Попут многих сложених система, екосистеми показују периодичне флуктуације око стања приближне равнотеже. Дугорочно, међутим, екосистеми се неизбежно мењају када се промени клима или када се врло различита нова врста појави као последица миграције или еволуције (или је, намерно или нехотице, убаце људи).

КРУЖЕЊЕ МАТЕРИЈЕ И ЕНЕРГИЈЕ

Ма како сложен био рад живих организама, они деле иста физичка начела одржања и преображаја материје и енергије са свим другим системима у природи. На великој временској скали, материја и енергија се размењују међу живим бићима као и измећу њих и физичке околине. У овим дуготрајним циклусима, укупна количина материје и енергије остаје иста, иако су њихови облици и локације подложне сталним променама.

Готово сав живот на Земљи се искључиво одржава преображајем сунчеве енергије. Биљке узимају сунчеву енергију да направе сложене, енергијом богате, молекуле (углавном шећере) из молекула угљен-диоксида  и воде. Ови молекули даље служе, директно или индиректно, као извор хране самим биљкама а на крају и свим животињама и разлагачима (попут бактерија и гљива). Дакле, то је ланац исхране у природи: организми који се хране биљкама узимају енергију и материју разлажући биљне молекуле и користећи их за сопствену грађу, а затим и сами постају храна другим организмима. На сваком ступњу ланца исхране, нешто енергије се накупља у ново-направљеним структурама, а нешто се распе у околину као топлота произведена у ћелији хемијским реакцијама које ослобађају енергију. Сличан енергијски циклус започиње у океанима када мали организми, слични биљкама, хватају сунчеву светлост. Сваки део ланца исхране користи само мали део енергије из организама којима се храни.

Елементи који чине молекуле живих бића се стално рециклирају. Главни међу овим елементима су угљеник, кисеоник, водоник, азот, сумпор, фосфор, калцијум, натријум, калијум и гвожђе. Ови и други елементи, који се углавном налазе у енергијски богатим молекулима, преносе се дуж ланца исхране да би их на крају разлагачи (сапроби)  рециклирали назад у минералне састојке које испочетка користе биљке. Иако се често дешавају локални вишкови и мањкови, ситуација на целој Земљи је таква да организми умиру и труле отприлике истом брзином којом се ствара нови живот. То значи да целокупна жива биомаса остаје приближно константна, постоји циклични проток материје од старог ка новом животу и постоји неповратни ток енергије од упијене сунчеве енергије у ослобођену топлоту.

Значајан прекид у уобичајеном кружењу енергије очигледно се догодио пре више милиона година када је раст биљака на земљи и морских организама превазишао могућност разлагача да их рециклирају. Накупљени слојеви енергијски богате органске материје су постепено претворени у угаљ и нафту притиском слојева земље изнад њих. Енергију ускладиштену у тим молекулским структурама сада ослобађамо сагоревањем. Отуда наша цивилизација зависи од огромних количина енергије из таквих фосилних горива извађених из земље. Сагоревањем фосилних горива, коначно преносимо већину складиштене енергије околини као топлоту. Такође враћамо назад у атмосферу – у релативно кратком времену – велике количине угљен-диоксида који је из ње лагано уклањан током милиона година.

Обим живота који било које станиште може да подржи је ограничен најосновнијим ресурсима: упадном енергијом, минералима и водом. Одрживост екосистема захтева довољно енергије за стварање нових производа (дрвећа и усева) а такође и за комплетно рециклирање остатака старих (мртво лишће, отпадне воде канализације итд). Када се у природни циклус умеша људска технологија, долази до гомилања материјала у облику отпада који није рециклиран. Када потребе технологије надмаше капацитете постојећих ресурса, долази до убрзаног исцрпљивања земљишта, опустињавања или исцрпљивања минералних резерви.

ЕВОЛУЦИЈА ЖИВОТА

Данас присутни облици живота на Земљи изгледа да су еволуирали из заједничких предака из времена најједноставнијих једноћелијских организама пре готово четири милијарде година. Савремене идеје еволуције дају научно објашњење за три главна скупа очевидних чињеница о животу на Земљи: огроман број различитих облика живота које видимо око нас, систематичне сличности у анатомији и молекулској хемији које видимо унутар те разноврсности, и низ промена у фосилима пронађеним у узастопним слојевима стена које су се формирале током више од милијарду година.

Од времена настанка првих фосила, појавили су се многи нови облици живота, а највећи број старих облика је нестао. Низ промена анатомских облика које, на основу старости камених слојева, можемо да пратимо, уверио је научнике да је нагомилавање промена од једне до друге генерације на крају довело до међусобно различитих врста као што су бактерије и слонови. Молекулски докази, поткрепљени анатомским из фосила, пружају додатне детаље о редоследу којим су се разне линије потомака одвајале једне од других.

Иако се детаљи историје живота на Земљи и даље склапају из комбинованих геолошких, анатомских и молекулских налаза, главне одлике те историје су опште прихваћене. На самом почетку, једноставни молекули су вероватно образовали сложене молекуле што је коначно довело до настанка ћелија способних за само-репликацију. Живот на Земљи постоји три милијарде година. Током прве две милијарде постојали су само микроорганизми – неки од њих очигледно прилично слични бактеријама и алгама које постоје и данас. Развојем ћелија са једром пре око милијаду година, долази до пораста брзине еволуције све сложенијих, вишећелијских организама. Од тада је брзина еволуције нових врста врло неуједначена, вероватно пратећи промене у физичком окружењу.

Централни концепт теорије еволуције је природна селекција, која израста из три добро потврђена опажања: (1) унутар сваке врсте постоје варијације у наследним особинама организама, (2) неке од тих особина ће јединкама дати предност над другима у преживљавању до зрелости и размножавању и (3) те јединке ће вероватније имати више потомака, који ће и сами имати више прилике од осталих да преживе и да се размножавају. Вероватан резултат је да током генерација расте удео јединки које су наследиле особине повољне за раст и размножавање.

Селекционе особине могу да укључују биохемијске детаље, попут молекулске структуре хормона или дигестивних ензима, и анатомске одлике попут величине кости или дужине длаке крзна. Оне такође могу да укључују финије одлике одређене анатомијом, попут оштрине вида или ефикасности пумпања срца. У биохемијском или анатомском смислу, селекционе особине могу такође укључити понашање, попут ткања одређеног облика мреже, преференције одређених особина код партнера или бриге за потомке.

Нове наследне особине могу настати из нових комбинација родитељских гена или из њихових мутација. Изузев мутација ДНК у полним ћелијама организма, особине које настају у процесима током живота организма не могу бити биолошки пренете на идућу генерацију. На пример, промене у јединки изазване коришћењем или некоришћењем неке структуре или функције или промене у окружењу не могу бити раширене природном селекцијом.

Због своје природе, природна селекција ће вероватно довести до настанка организама са особинама које их прилагођавају преживљавању у одређеном окружењу. Ипак, пуким случајем, поготово у малим популацијама, може да дође до ширења наследних особина које немају ни предности ни мана у погледу преживљавања и размножавања. Шта више, када се окружење промени (у овом смислу, други организми су такође део окружења), предности или мане извесних особина такође могу да се промене. Дакле, природна селекција не води обавезно до дугорочног напретка у задатом смеру. Еволуција се надовезује на оно што већ постоји, па што је више разноврсности, тим више и еволуције.

Непрекидна природна селекција нових особина уз променљиво окружење, током милиона и милиона година, направила је низ различитих нових врста. Еволуција није лествица на којој су нижи облици живота замењени напреднијим облицима, са људима на врху као најразвијенијом врстом. Пре ће бити, еволуција је као грм: многе гране одвојиле су се одавно; неке од тих грана су изумрле; неке су преживеле са очигледно мало или нимало промена током времена; а неке су се понављано гранале, понекад дајући сложеније организме.

Савремени концепт еволуције даје нам уједињујуће начело за разумевање историје живота на Земљи, односа међу свим живим бићима и зависности живота од природног окружења. Иако смо још увек далеко од јасне слике о томе како еволуција ради у детаље, концепт је тако добро утемељен да обезбеђује оквир за организацију већине биолошког знања у усаглашену слику.