V. Состав и строение живых тел

V. Состав и строение живых тел

Наблюдая жизнь растений, животных и человека, мы видим, что с ними непрестанно совершаются самые разнообразные перемены: они растут, размножаются, стареют, умирают. Внутри них постоянно движутся разные соки, газы, пища и пр. Поступающие в организм пища и воздух превращаются там в новые химические соединения. Разнообразные изменения и превращения веществ наблюдаются и в неживой природе. Самая поверхность Земли и скрытые в ней минералы с течением времени изменяют свой вид и свой состав. Железная крыша на доме со временем портится и перестает выполнять свою защитную роль; лежащий в сыром месте кусок железа ржавеет, рыхлеет и превращается в новое вещество, непохожее на железо и непригодное в новом виде для производства.

Но жизнь, как мы увидим в следующей главе, существовала не всегда, а могла возникнуть лишь на определенной ступени развития Земли, когда наступили необходимые для этого условия. Она представляет собой совершенно новое, своеобразное состояние, особый сложный вид движения вещества (материи), не свойственный всей остальной природе. Поэтому и химические явления, происходящие в живом организме и в неживой природе, существенно отличаются одни от других. Это нужно всегда иметь в виду.

Все вещества, существующие в природе, можно разделить на две группы: на простые вещества и сложные. Сложные вещества — это те, которые составлены из двух или нескольких простых веществ.

Сложные вещества можно поэтому разложить на простые. Простые вещества — те, которые обычными химическими приемами не могут быть разложены на другие, более простые вещества. Эти неразложимые, простые вещества, входящие в состав всех существующих предметов, называются химическими элементами. Химических элементов насчитывается около 100, но из них лишь немногие входят в состав большинства окружающих нас вещей, а остальные встречаются в природе очень редко. Назовем важнейшие из химических элементов.

Водород. Это — очень легкий газ без цвета и запаха. Им наполняют воздушные шары, чтобы они могли подняться в воздух. Водород входит в состав воды (отсюда и его название), в состав животных и растений и многих других сложных веществ.

Кислород — другая составная часть воды, а также растений и животных. В чистом виде кислород — бесцветный газ, не имеющий запаха. Он находится в воздухе, составляя почти пятую часть его, и служит для дыхания. Немало кислорода входит в состав земной коры.

Азот — тоже газ, входящий в смеси с кислородом в состав воздуха. Четыре пятых части воздуха состоят из азота. Он представляет существенную составную часть животных и растений.

Углерод — важнейшая составная часть растений и животных. Чистый углерод встречается в природе в виде драгоценного камня — алмаза и в виде графита (из которого делают карандаши); много чистого углерода содержится в каменном угле.

Кремний входит в состав многих камней. В соединении с кислородом кремний находится в песке.

Фосфор входит в состав животных и растений. Особенно много его в костях и мозгу.

Сера тоже входит в состав растений и животных, а также многих руд. Встречается в природе и в чистом виде.

Хлор — удушливый газ зеленого цвета, употребляющийся на войне в качестве отравляющего вещества. Входит в состав поваренной соли и многих других веществ.

Натрий — мягкий и легкий металл, другая составная часть поваренной соли.

Можно сюда прибавить еще железо, медь, цинк, алюминий, свинец, ртуть, олово, серебро, золото — всем известные металлы, широко применяющиеся в различных производствах. Все они — химические элементы.

Из названных элементов и состоит огромное большинство веществ и вещей, окружающих нас в быту и в природе. Из них построены тела живой и неживой природы. В растениях и животных (а также в теле человека) находятся даже не все из этих веществ; наиболее сложные существующие в природе вещества состоят из очень немногих простых.

Сложное вещество состоит из соединения определенных химических элементов. Например, вода есть соединение водорода с кислородом, поваренная соль — соединение хлора с натрием, углекислый газ — соединение углерода с кислородом. Что это значит?

Возьмем поваренную соль. Ее свойства знакомы всякому. В чистом виде она образует белые (точнее говоря — почти прозрачные) кристаллы, имеющие соленый вкус, лишенные запаха, растворяющиеся в воде и т. д. А между тем хлор, который входит в ее состав, это — зеленый удушливый газ с сильным едким запахом; натрий — другая составная часть соли — легкий металл, тоже с виду непохожий на соль. Как ни рассматривай соль, как ни пробуй ее, — в ней не увидишь ни хлора, ни натрия. И никто бы не догадался, что соль состоит из этих веществ, если бы не было сделано многочисленных опытов, которые показали, что стоит соединить химически хлор с натрием, как образуется поваренная соль; при этом свойства хлора и натрия становятся незаметными, исчезают, а в то же время возникают новые свойства соли. Делали также и обратные опыты: некоторыми способами (например действием электрического тока) можно поваренную соль разложить на составляющие ее вещества, и тогда получатся отдельно хлор и натрий. При этом разложении соли ее свойства (например ее цвет, соленость, отсутствие запаха) исчезнут, а вместо нее появятся зеленый газ хлор и металлический натрий.

Совершенно то же можно сказать и относительно других приведенных примеров. Так, вода имеет свои всем известные свойства. Прежде всего она — жидкость при обычной температуре. Ho ее можно (электрическим током) разложить на составные части, т. е. на водород и кислород, и вместо жидкости появятся два газа: оба бесцветные, прозрачные, но один — очень легкий, другой — более тяжелый. Эти газы водород и кислород. Если взять эти газы, смешать их и через смесь пропустить электрическую искру, то оба газа со взрывом химически соединятся между собой, образуя воду. И в этом примере мы видим, что при химическом соединении свойства соединяющихся веществ исчезают, а вместо них появляются новые свойства того вещества, которое получается в результате соединения.

Значит, химическое соединение — это такое явление, при котором изменяются состав и свойства соединяющихся веществ.

Следует строго различать химическое соединение и простую смесь. Например, в воздухе, как мы уже знаем, находятся газы — кислород и азот, но оба эти газа сохраняют здесь все присущие им свойства. Это происходит потому, что они в воздухе не вступили в химическое соединение, а только перемешаны между собой. Можно также смешать кислород с водородом; смесь этих газов тоже будет газом, лишенным запаха и прозрачным. Здесь свойства обоих смешанных тазов еще сохраняются. Они будут сохраняться до тех пор, пока не произойдет химического соединения обоих газов в новое вещество — в воду.

Химические явления в природе очень разнообразны. В одних случаях происходит соединение между несколькими веществами, в других — разложение какого-нибудь сложного вещества на более простые. Бывают и иные химические явления. Химик в своей лаборатории может производить и соединения веществ в другие, более сложные и разложения сложных веществ на более простые. Соединение веществ носит название синтеза (слово «синтез» греческое и означает «составление», «соединение»); так, путем синтеза из водорода и кислорода получают воду, из хлора и натрия — поваренную соль и т. д. Определение состава веществ путем разложения их на более простые называется анализом (слово «анализ» тоже греческое и означает «разъединение», «разделение»). При изучении каких-либо веществ химики применяют оба способа: путем анализа они стараются узнать, из каких простых веществ построено данное соединение, а путем синтеза стараются получить это соединение искусственно из его составных частей.

Обычно синтез — гораздо труднее анализа, и до сих пор существует еще много веществ, которых химики не могут получить путем синтеза, хотя путем анализа они уже хорошо узнали их состав. К их числу принадлежат многие вещества, которые находятся в организмах в результате их жизнедеятельности. Все они содержат в своем составе элемент углерод. Поэтому углеродистые соединения называются также органическими соединениями.

В теле животных, растений и человека, кроме органических веществ, находятся также вещества неорганические. Для понимания того, как возникла жизнь на Земле, необходимо сказать несколько слов о химическом составе живых организмов.

Откуда берется вещество в теле животных? Из пищи. Растения питаются веществами, которые они извлекают из почвы и из воздуха. Одни из животных питаются животными (это — хищные звери; например волк поедает других, животных, слабейших), другие — растениями (например лошадь, корова, коза, овца и другие копытные; эти животные называются травоядными). Человек питается и животной и растительной пищей и считается поэтому всеядным. С пищей организм получает все то, из чего он состоит.

Химический анализ показал, что всякое живое тело состоит из воды, угля (углерода), различных газов, из некоторых металлов (например железа), солей и еще ряда других веществ. Эти наши слова могут показаться нелепыми. Ну, разве есть в нашем теле уголь и железо? В том-то и дело, что есть, хотя и не в своем обычном виде: ведь мы уже знаем, что простые вещества, образуя химическое соединение, изменяют свои свойства. В этом можно легко удостовериться.

Начнем с воды. Возьмем кусок мяса и взвесим его. Пусть он весит десять килограммов. Если мы его теперь хорошо высушим и потом снова взвесим, то увидим, что теперь он стал гораздо легче: в нем осталось всего три килограмма. Значит, на 10 частей его веса приходилось 7 частей воды. При высушиваний она исчезла, а мясо оттого сделалось гораздо легче. Да и с виду оно сильно изменилось; кусок уменьшился, сморщился, потерял цвет. Делая такого рода опыты, узнали, что не только в мясе, но и в других тканях тела, даже в костях, есть вода, хотя и меньше, чем в мясе. Точно так же вода составляет значительную долю и в растительных организмах.

Что в живом теле есть уголь, точнее говоря — углерод, в этом тоже нетрудно убедиться. Только он там соединен с другими веществами и оттого незаметен. Но на огне эти вещества распадаются, и уголь является в чистом виде. Если мы возьмем траву, ветку дерева, палку или кусок любого животного тела и положим в печь, то вскоре те части его, которые ближе к огню, почернеют и обуглятся. Уголь выступит здесь снова в своем обычном виде. Вещество чистого угля ученые и называют углеродом.

Кроме воды и углерода, в живом теле есть газы. Когда мы дышим, мы втягиваем в себя (в свои легкие) воздух. Для дыхания нужен такой воздух, в котором достаточно кислорода, именно — не меньше пятой части воздуха. Попробуйте посидеть долго в тесном, плотно закрытом помещении, куда не притекает воздух снаружи, и вам скоро дышать станет трудно, а через несколько часов и совсем невозможно; если не открыть двери или окна и не впустить свежего воздуха, человек задохнется. Из воздуха мы и получаем необходимый для жизни газ — кислород.

Проникший к нам в легкие кислород соединяется с углеродом и другими веществами и изменяется. Часть его остается в теле в разных соединениях, а другая часть, ненужная больше, даже вредная, соединенная с углеродом, выходит из нашего тела при выдыхании. Таким образом мы вбираем из воздуха в свой организм чистый кислород, а возвращаем в воздух кислород, соединенный с углеродом, так называемый углекислый газ. Такой обмен газов (дыхание) происходит не только у животных, но и у растений.

Газы, которые имеются в живом теле, находятся там в соединении с другими веществами. Например, азот соединен в нашем теле с углеродом, водой и серой. Когда какое-нибудь недавно бывшее живым тело гниет, то сернистые газы выделяются из него и издают очень неприятный запах. Газ, в состав которого входит сера, всякий человек легко узнает по запаху, если он хоть раз его слышал. Такой запах идет от тухлых яиц.

В составе организма — растительного и животного — находится также и железо в химическом соединений с другими элементами. Растения содержат его больше всего в зеленых частях, а животные — в крови. Из тела человека можно получить всего от 3 до 5 граммов железа.

При некоторых болезнях, когда человек слабеет и его кровь беднеет некоторыми составными частями (эта болезнь называется малокровием), доктора советуют принимать внутрь в виде капель или порошков химические соединения железа.

Есть еще необходимое нам вещество, придающее твердость и крепость нашим костям и зубам, это — известь; если в костях ее мало, они легко ломаются или гнутся (например у детей тогда делаются кривые ноги). Наконец, в состав нашей крови всегда входит соль: это легко заметить, если капельку крови попробовать на вкус.

Все эти вещества бывают в нашем теле, как и во всяком организме, не в чистом виде, но в химических соединениях с другими веществами. В таком виде они употребляются в пищу. Главнейшие из этих соединений бывают трех родов.

Во-первых, так называемые углеводы. Они состоят из углерода и воды. Таковы: сахар, крахмал и др. Что сахар необходим для питания, знает всякий, но может показаться, что крахмала мы не употребляем в пищу. Конечно, в чистом виде он не идет в пищу, но целый ряд продуктов, которые мы едим, содержит в себе много крахмала, например картофель, хлеб, рис, разная крупа, бобы.

Вещества второго рода, находящиеся в теле животных и растений, это — жиры. Они состоят из тех же элементов, что и углеводы, т. е. из углерода и водорода с кислородом, но в жирах эти вещества иначе соединены, чем в углеводах, да и кислорода здесь меньше. Жиры бывают растительные и животные. Так, подсолнечное, льняное и конопляное масло — растительные жиры; сало и коровье масло — животные жиры.

Третий род веществ, образующих тела животных и растений, это — так называемые белки; в растениях их гораздо меньше, чем в животных организмах. Белки — вещества очень сложные. Они составлены не только из разных соединений углерода с водородом и кислородом, но всегда содержат в себе еще азот, серу, а иногда и фосфор и другие элементы. Из разных белков построены мышцы (мясо), мозг, кожа и другие части тела животных; они же входят в состав крови. Их существует много видов. Белок — самая характерная часть живых тел. «Жизнь, — говорит Энгельс, — это форма существования белковых тел, существенным моментом которой является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой и которая прекращается вместе с прекращением этого обмена веществ, ведя за собой разложение белка»^[4].

Теперь мы можем точнее сказать, что для питания животных, для построения их тела им необходимо получать в пище белки, жиры и углеводы. Они могут их получать, съедая других животных или питаясь растениями. Но откуда берутся эти вещества у растений?

Растения сами создают в своем теле и белки, и жиры, и углеводы. Материал для этого они берут из неживой природы. Так, для создания углеводов нужны вода и углерод. Воду растение всасывает корнем, а углерод получает из воздуха. Откуда же в воздухе углерод? Оказывается, он содержится в углекислом газе (химическое соединение углерода с кислородом), который в небольшом количестве всегда есть в воздухе. Углекислый газ выделяется при вулканических извержениях, а в некоторых местах просто выходит из земли. Кроме того, животные при дыхании, как мы уже знаем, выделяют углекислый газ легкими.

Вот из этого-то углекислого газа растение силой солнечных лучей добывает нужный ему углерод и накопляет его в себе очень много. Все, что нужно растению для создания белков, оно опять-таки берет из воздуха (углерод) и из земли (воду, азот и серу). Значит, растение создает свое тело из веществ неживой природы; другими словами, в растениях постоянно происходит превращение неорганических веществ в органические.

Но не только растение может из веществ земли, воздуха и воды построить белки, жиры и углеводы. Раньше думали, что эти вещества создаются только в живых телах, в организмах. Но это неверно. Сто с небольшим лет назад одному химику (Вёлеру) удалось в первый раз изготовить искусственно мочевину^[5] из воды и газов. Это было только начало. Потом стали получать искусственно (путем синтеза) разные другие органические вещества, которые раньше добывали только из растений и животных: например различные органические краски, жиры и некоторые углеводы, а теперь химия работает уже над получением и белков.

Значит, действительно все материалы, из которых построено живое тело, уже имеются в неживой природе. Непроходимой пропасти между химическим составом живых организмов и неживой природы не существует.

Когда умирают растения и животные, их остатки сгнивают, разлагаются и возвращают земле все то, что от нее получили. Перегнившие остатки живых существ удобряют землю, и на ней, получившей новое питание, пышно зеленеет густая, сочная трава, колосятся зерновые растения, созревают плоды и овощи.

Так земля вновь возвращает человеку и животным то, что раньше было взято у нее же.

* * *

Окружающие нас предметы обычно бывают в трех состояниях: одни — твердые, другие — жидкие, как вода, третьи — газообразные, как воздух. В каком же состоянии находятся вещества в живых телах? Каждому видно, что их состояние — особое, не совсем твердое, но и не жидкое и не газообразное. В нашем теле твердыми можно считать только кости, а остальные части его — мягкие. Такими же нежными и мягкими оказываются молодые растущие части растений. Это состояние иногда называют «полужидким». В подобном состоянии находятся, например, студень, густо сваренный кисель, размоченный столярный клей, сваренный яичный белок и др. Состояние это получило название коллоидного, т. е. клееподобного (от греческого слова «колла», что значит «клей»). В коллоидном виде и существуют живые тела или, по крайней мере, их главные составные части. Благодаря такому состоянию в живом теле могут происходить разнообразные химические изменения, причем оно не теряет своей формы. Коллоидное тело может сохранять в воде свой вид, не растворяясь в ней (как растворяется в ней, например, соль), но в то же время впитывая ее внутрь себя в известном количестве.

Самые простые живые существа, обитающие в воде (морской и пресной), представляют собой комочки коллоидных тел, имеющие определенную форму и состоящие главным образом из белков. В таких простейших организмах различают основное коллоидное вещество, называемое протоплазмой, и включенное в протоплазму тоже коллоидное тельце — ядро. Одно из наиболее простых животных — так называемая амёба, (рис. 4). Она представляет собой микроскопически маленький коллоидный комочек, состоящий из протоплазмы и более плотного ядра. Протоплазма способна вытягиваться в отростки, которые через некоторое время могут опять втягиваться назад, сливаясь с остальной протоплазмой. С помощью этих отростков амёба может передвигаться с места на место, ими же она захватывает пищу в виде разных органических частичек, бактерий и т. п. Такие же просто устроенные организмы имеются и среди растений.

Рис. 8. Тонкий разрез через верхушку корня растения (под микроскопом). Видны многочисленные клетки с округленными ядрами

Рис. 9. Участок кожи под микроскопом

Если взять какое-нибудь более сложное животное или растение и рассмотреть его строение через микроскоп, то увидим, что оно состоит из множества обособленных частей, так называемых клеток, каждая из которых более или менее напоминает собой амёбу и тоже построена из протоплазмы и ядра. Таких клеток в теле каждого растения и животного очень много. Клеточки обычно так малы, что в человеческом теле, например, их находится много миллиардов. Какую бы часть тела мы ни стали рассматривать под микроскопом, всюду найдем клетки. В кусочке кожи мы увидим клетки, напоминающие плитки мостовой, в кусочке подкожного жира — множество маленьких кругленьких клеточек, наполненных жировыми капельками, в мышцах (мясе) — множество клеточек в форме длинных волокон. Даже в твердой кости мы найдем клетки; они здесь сидят, окруженные прослойками извести. Эта известь делает кости твердыми и крепкими. Наконец, и жидкая часть нашего тела — кровь — и та построена из клеточек; бесчисленные маленькие круглые клеточки плавают в жидкой части крови.

Таким образом, все живые организмы, какие только есть на Земле, построены из мельчайших живых единиц — из клеток. В простейшем случае животное или растение построено из одной клетки. Это — одноклеточные организмы. Такова, например, известная уже нам амёба. Обычно же в состав организма входит огромное количество клеток. Это — многоклеточные организмы.

Каждая клетка живет. Она питается, растет, выделяет из себя негодные для жизни вещества, дышит и размножается. Пища, которую съедает человек или животное, всасывается в кровь, а кровь доставляет ее всем клеткам. Каждая клетка получает из нее свою долю питательных веществ. Каждая клетка в нашем теле дышит. Она из крови впитывает кислород и выделяет в кровь углекислый газ.

Таким образом, в живой клетке идет непрерывная работа. Непрестанно в нее поступают извне различные вещества. Они подвергаются в ней сложным химическим изменениям, причем одна часть их остается в клетке, усваивается ею, а другая часть, отработанная, вредная для жизни, выбрасывается из нее. Весь этот процесс называется обменом веществ.

Всего замечательнее размножение клетки. Оно происходит так: сперва ядро ее вытягивается, утончается по середине и, наконец, разрывается на две части. После этого перетягивается пополам и протоплазма; когда она разорвется, из одной клетки образуются две. Значит, клетки размножаются делением надвое, совершенно таким же способом, какой был установлен для микробов известными нам опытами Спалланцани. Когда растет сложный организм, его клетки усиленно размножаются, и число их быстро увеличивается. Все это показывает, что жизнь организма складывается из жизни его бесчисленных клеток.

Клеточное строение всех организмов и химическая работа клеток указывают на то, что в строении животных и растений существует единство, что все организмы связаны между собой родством. Это подрывает религиозный взгляд на организмы, как на обособленные формы, созданные богом каждая отдельно, как на независимые виды животных и растений, оставшиеся будто бы неизменными со дня «творения» до наших дней.

Познакомившись с этим, мы можем теперь перейти к вопросу о появлении на Земле живых организмов.