Нужна ли е форма на организмите ?

Нужна ли е форма на организмите?

Морско конче
Амонит

  Безкрайното разнообразие на форми и функции на живота е свързано с всеобщите закони на самоорганизацията на материя- та. За да се появи и развие, животът е трябвало да приеме определени фор- ми. Според У. Ешби всяка „динамична система“, която се подчинява на неизменни закони, създава „организми“, приспособени към „околната среда“. В този смисъл оптималният ход на еволюционния процес става по принцип неизбежен, но изборът на конкретните пътища, форми и функции не е опре- делен, а зависи от взаимодействието между организмите и средата. Това взаимодействие се обуславя от форма- та и характера на „конструкцията“ на организмите. Неслучайно човекът, макар и да се приема за висше създание, не е сътворил нова форма, която преди не е била изпробвана от природата.

Във вековечната борба за съществуване на живота определена роля играят специфичните биологични механизми и закони, но има и всеобщи (вселенски) закономерности, които се извисяват над всички динамични системи и определят приоритета на формите, поведeнието и динамиката на света преди нас и около нас.

В кибернетични системи аналог на хомеостаза (хомеостата) е термостата, но често те се определят по-широко от биологичния термин на хомеостазата.

Хомеостазата (или хомеостазис, от гръцки: ὅμοιος, „hómoios“) е свой- ство на една отворена система, особе- но на живите организми, да регулира вътрешната си среда така, че да поддържа стабилно, постоянно състояние чрез многобройни корекции на динамичното равновесие, управлявани от взаимно свързани регулаторни механизми. Примери за хомеостаза: регулация на температурата, баланс между киселинната картина при живите организми. В този смисъл екологичните, биологичните и обществените системи са хомеостатични. Те се съпротивляват на промените, за да поддържат равно- весие. Ако системата не успее да възстанови баланса си, тя може да спре да функционира.

Сложните системи, като човешкото тяло, трябва да имат хомеостаза, за да поддържат стабилността си и да оцеляват. Тези системи не само трябва да издържат, за да оцелеят. Те трябва да се адаптират и еволюират към промените в околната среда.

Тук е уместно да припомним изследванията на Уилям Ешби (W. Ashby, 1903–1972) – английски учен психиатър, специалист по кибернетика и пионер в изследването на сложни системи. Той открива хомеоста (показателя), който илюстрира ултра-устойчиво поведение, при което системата избягва стъпаловидни функции, водещи до критично състояние. Самата хомеостаза, предложена като термин от американския физиолог Уолтър Кенан през 1932 г., е самоорганизираща се система, която моделира способността на живите организми да поддържат някои показатели (напр. температурата на тялото) във физиологично допустими граници. Тя подпомага системата да се възпроизвежда, да възстановява равновесието си и да противодейства върху натиска на външната среда, както и за определяне на оптимална численост на индивидите в съобществото за продължително време. Хомеостазата пронизва като закон всички реакции на организмите, изразяващи се най-често чрез стрес, който се проявява особено силно при противоречие между физиологията и поведението на отделните живи същества, а също несъoтветствие между формата и средата. По образния израз на един учен хомеостазата е принципът, по който работи вашият вътрешен „термостат“ .

Щом се решиш чак на върха да възлезеш, тръгвай с мен, дай ръка! Надлъж и нашир природата с волен поглед обгърни! …
Тя висш двойнствен закон създала е: има всичко живо предел…
Всяха клетчица нейна по вечния закон е отлята и най-рядката форма пази тайната на праобраза…
Формата определя начина на живот у животното, но и начинът на живот оказва въздействие на формата…
Тези граници и Бог не руши, тачи ги и природата, границите махни и съвършенството ще изчезне!

Тези стихове са написани от гениалния Гьоте. Те не са просто поетична волност, а изящен словесен израз на една велика природна закономерност, доловена от ярката мисъл на гения и усета му на природоизпитател: „формата определя начина на живот у животното, но и начинът на живот оказва въздействие на формата“.

Сам жива стихия на природата, преливаща в поезия, Гьоте завършва стихотворението за метаморфозата на животните:
Спри сега, обърни поглед в мълчание надире,
провери и сравни и възхвала отдай ти на Музата,
че видяното от очите ти не е блян, а истина.

Живата природа ни представя картина, която по своето вълнуващо богатство, красота, игра на багрите, разнообразие и чудноватост на формите е несравнима с нищо друго.

Формите на организмите са моделирани в процеса на еволюцията. За да разберем техния произход, трябва да „слезем“ на равнището на микросвета на атомите и молекулите. На времето Дж. Холдейн подчерта, че единството на живота се основава на асиметричния характер на неговите молекули. Преди това Луи Пастьор писа: „Вселената е асиметричен ансамбъл. Аз предполагам, че животът в този вид, в който го познаваме, трябва да бъде функция на асиметрията на света и следствие, което произтича от нея.“

Независимо от невъобразимото разнообразие от форми при живите организми основните изходни модели са няколко: спирала, кълбо, петоъгълник, „тръба“, „дърво“, „звезда“. Тези форми се повтарят на различни равнища на организация на живата материя. Очевидно в процеса на еволюцията те са се оказали най-подходящи, тъй като са отговаряли на много изисквания: улеснявали са метаболизма и самовъзпроизвеждането, оптималност от биоенергетична гледна точка, приспособяване към средата.

Патриархатът на жизнените форми е спиралата. Всъщност това е и най-разпространената форма във Вселената: от атомите до галактиките (фиг. 1 ).

Ето един от бисерите в поезията на именития български учен-молекулярен биолог Румен Цанев:

Природата луда, както си играла,
взела, че изплела двойната спирала!
Две сплетени нишки с водородни връзки във себе си скрили проекти най-дръзки, проекти велики, проекти безумни, създали в миг страшен бацилите чумни
или пък родили в някой миг върховен
мозъка на Айнщайн, слуха на Бетховен! Грозно и красиво в себе си събрала,
шества по Земята двойната спирала!
Чрез хиляди гени и с триплетен код
тук създава гений, там пък идиот.
Тук нещо се ражда, там нещо умира – двойната спирала се редуплицира.
И проекти нови тръгват с двете нишки, тръгват със живота двете тайни книжки… Сякаш чука морзът в двойната спирала:
„Това съм ти дала, туй не съм ти дала…“ И въртят се нишките, сякаш ни орисали, с тройните кодони всичко в нас записали.
И това, че аз съм АЗ, а пък ти си ТИ,
в ДНК-спиралата някъде седи.
И дори си мисля, дали тез куплети
не са закодирани в нейните триплети!
И си мисля още – в хаоса космичен
пак ли е възникнал тоз живот химичен? Напук на ентропия как ли е израствал, сякъш е работил демонът на Максвел,
и редил е „буквите“ векове милиони,
за да стане хаосът жизнена хармония, за да станем АЗ и ТИ, за да стане мисъл,
и накрая – редовете дето съм н
аписал.

циклонът „Катарина“
Амонит

Фиг.2. Спиралите са навсякъде: вляво – циклонът „Катарина“, 2011 г (сн.: Интернет), вдясно – юрски амонит (колаж: Т. Николов)

Най-важната молекула в живата материя – ДНК, има форма на изящна двойна спирала.

Спирална структура имат и белтъците. Тяхната молекула е организирана под формата на едноверижна алфа-спирала, доказана от Лайнъс Полинг. Спиралната форма предлага редица биологични преимущества — в теснотията на микросвета гъвкавата спирала е изключително подходяща форма. При човека дължината на ДНК в сперматозоидите и яйцеклетките е около 1 м, а във всички останали клетки два пъти повече. При някои растения нейната дължина достига 40 м. Спиралата е отворена геометрична крива, която се увива около точка (или ос), като постепенно се отдалечава от нея. Съществуват различни видове спирали в зависимост от изменението на радиус-вектора при изменение на ъгъла на въртене (фиг. 2).

Тези фосили са също забележително свидетелство за универсалните закони, по които се развива всичко – от галактиките до живия свят.

Най-простата спирала е открита от Архимед през III в. пр.н.е. При тази спирала всеки кръг се отдалечава постепенно от центъра, но стъпката на кръга остава постоянна, т.е. дължината на радиус-вектора е пропорционална на ъгъла на въртенето. Иглата на грамофона се движи по Архимедова спирала, но в обратно направление, към централната спирала. По този начин са навити и черупките на някои главоноги мекотели (амонити).

Фиг. 3. Галактиката M51 – Водовъртеж (Whirlpool). Сн.: NOAO and NASA (Public domain)

Особен интерес представлява т.нар. равноъгълна или логаритмична спирала, изследвана за първи път от френския математик и философ Рене Декарт (1638), а по-късно и от швейцарския математик Якоб Бернули (1698). Тази спирала пресича всички свои радиус-вектори под един и същ ъгъл. Колкото този ъгъл е по-малък, толкова спиралата е по-разгърната и обратно.

Дължината на радиус-вектора при нея се увеличава с отдалечаването ѝ от центъра. Бернули доказва, че логаритъмът на радиуса в този случай е пропорционален на ъгъла на въртенето. Поради това тази спирала се нарича логаритмична. Бернули открива също, че ако от логаритмичната спирала се изреже произволно късче и се разгледа в ограничен вид, то ще съответства точно на някоя друга част от същата спирала. Това нейно свойство толкова удиви- ло учения, че той се разпоредил след
смъртта му на надгробния камък да се очертае логаритмична спирала и да се издълбаят следните думи:„Изменяйки се, аз все пак си оставам винаги предишната.“ 

Как да не си спомним Шекспир:
Като печат предай и по-нататък в потомството си своя отпечатък.

Морско конче

Фиг. 4. Вляво са представени две (външно) сходни форми, без каквато и да е близка родствена връзка, които удивляват с повторението на морфологията: фосилна находка от долнокреден амонит Macroscaphites yvani (безгръбначни, кл. Cephalopoda) , баремиен, 130–125 Ма ВР; вдясно – морско конче Hippocampus (гръбначни, Pisces – лъчеперкови риби, миоцен – днес)

Логаритмичната спирала се разгръща твърде бързо и създава по-динамична форма, отколкото „тромавата“ Архимедова спирала. Ето защо тя е „предпочитана“ и изключително разпространена форма сред живите организми: строежът на слънчогледовата пита, папиларните следи на па- леца при човека, разположението на пластинките при шишарката на бора, строежът на цвета на лайката, черупката на наутилуса и на повечето амонити. Черупката при амонитите например расте само едностранно и поради това напомня рог на планински козел, който също има спирална форма. Спиралните форми играят и роля на своеобразен скелет на клетката. Те са характерни и за редица морски микроорганизми – например фораминиферите в повечето случаи се представят от черупка с форма на логаритмич- на спирала. Въз основа на изследване на фораминифери от Атлантическия океан е установено, че топлолюбивите форми имат ляво завита черупка (обратно на часовниковата стрелка), а при студенолюбивите форми черупката е дясно завита, т.e. по посока на часовниковата стрелка. Въз основа на тази особеност на спирално завитите фораминиферни черупки е разработен метод за съпоставяне на утайки от различни области и за възстановяване на климатичната зоналност в древните басейни.

Галактика
Лайка

Фиг. 5. Вляво: нашата Галактика (Млечният път) – художествено изображение (https:// bg.wikipedia.org/wiki/Млечен път). Вдясно: р. Heracleum, сем. Сенникоцветни със спирално завити цветчета. Сн.: Т. Николов, район на НАО „Рожен“

Зараждането на спиралата при ор- ганизмите все още не е изяснен про- цес. Във всички ембрионни структури клетките обикновено се разполагат радиално. Някои организми приемат спирална форма едва след третото деление, когато се образуват 23, т.e. 8 клетки. Но спиралната форма излиза извън равнището на клетката. Едва ли с нужно да добавяме още много при- мери към тези, които вече посочихме, за да покажем, че „златната спирала“ е една от най-универсалните форми на жи- вота. Очевидно информацията за спирал- ното развитие е заложена още в първата клетка. Даже и организми, които след това развиват макроструктура, различ- на от спиралата, имат в своя строеж спирални структури: това са например микротръбичките от клетъчния ске- лет, влакната на съединителната тъкан, кръвоносни съдове. Спиралната форма помага на движението (червеи, змии), плътно „зашива“ съединителните тъка- ни и пр., и пр. Кръглата (сфероидната) форма е също добре представена в жи- вия свят. Такава форма имат външното очертание на клетката, също лимфо- цитите, някои водорасли, някои фора- минифери и радиоларии, ябълки и др. под., морски таралежи, яйца на редица организми, бактерии на т. нар. златист стафилокок, някои цветове и др.

Сфероидната форма е енергетично много икономична. Тя има малка повърхност при голям обем. При това сферата като биологична форма е много динамична, тя може да се тран- сформира леко в елипсоид, цилиндър или конусоид, приспособявайки се към различно трудни или необичайни условия на средата. Строежът на сфероидната форма е и най-икономичен. И все пак тя не е между най-широко представените сред живата природа. Обикновено такава форма имат главно едноклетъчни организми и някои многоклетъчни (например морски тарале- жи), които живеят в еднородна среда. Приблизително сфероидна форма имат планетите.

Интересно е, че в процеса на еволюцията животът е изпробвал много форми, в това число сфероида, но не го е възприел като широко перспективна форма, защото средата като правило е била с нарастваща нееднородност и изменчивост.

Петоъгълната и шестоъгълната форма също са познати сред живата материя. Това може малко да ни учудва, защото тези форми са познати в неживата природа – при кристалите. Но те се срещат, макар и по-рядко, там, където са най-подходящи в живата природа. Например петоъгълната и шестоъгълната форма спомагат на едноклетъчните гъби да захващат повече хранителни вещества от околната среда. Кръвоносните съдове имат петоъгълна форма, която изглежда най-благоприятна за кръвоснабдяването. Такава симетрия възниква винаги в случаите на концентрация в ограничен обем на елементи с относително еднаква форма, например сферична. Така при увеличаването на клетките на т. нар. пиноцитозни мехурчета, с чия- то помощ се пренасят хранителните вещества, характерът на тяхното разпределение върху клетъчната мембрана ще се приближава до пента, а след това до хексагонална симетрия.

Тръбовидната форма е изключително важна, макар и не най-разпространена. Тя е свързана с две основни функции: транспортен канал (различни съдове в организма, нерви и др. под.) и като опора (различни тъкани, стъбла на дърветата, ствол на бамбука и пр.). Тази форма дава перспектива на еволюцията за възникването на двустранната симетрия и оттам за началото на процеса на цефализацията, за който ще стане дума по-нататък.

Дървовидната форма е също добре представена сред организмите, при това както на микро, така и на макро- равнище (обикновено дърво, без кавички!). Системата за снабдяване на организмите с кръв и хранителни вещества има дървовидна форма, представлява- ща умалено копие на обикновено сложно разклонено дърво, което чрез своите тръбовидни съдове – капилярите, се снабдява с енергия. Даже много цветове използват модела на дървото; техните листенца се разклоняват като клонки, без да се затъмняват едно друго.

„Звездата“ е своеобразна разновидност на дървовидната форма, представляваща разклонение от един център в различни посоки. При звездовидната форма обаче е характерно, че нейни разклонения могат да играят едновременно и роля на крака. Среща се при някои водорасли, при някои цветя; понякога звездовидна форма придобиват и червените кръвни телца. Най-точно и най-изразно е представена при морските звезди.

Фиг. 6. Морска звезда
в движение. Всеки един от лъчите є е пластичен и осигурява движението. Сн.: Internet, public domain

Няма никаква, нито пряка, нито косвена връзка, но все пак не може да не се отбележи удивителното съвпадение на малкия брой основни биогенни елементи (6 бр.: водород, въглерод, азот, кислород, фосфор и сяра) и мал- кия брой основни типове форми на живата материя (6 бр.: спирала, сфера, петоъгълна, тръбовидна, дървовидна и зведновидна). Поразително е, че фор- мите от макросвета (галактиките) пре- минават и в микросвета, включително до форми с микроскопични размери. Защо животът при своята еволюция е избрал няколко основни форми, а след това с изключително упорство ги повтаря на различни равнища и при различни комбинации, създавайки огромното и пленително разнообразие на живия свят?

Вероятно в процеса на еволюцията, както и при химичните елементи, животът е избрал „най-удобните“ и същевременно най-благоприятните форми за своето развитие. Спиралната форма на ДНК е поразително подходяща за „квартируване“ в малко пространство и за събиране на огромна информация. На по-високо равнище спиралата дава редица други динамични и енергетични предимства. „Тръбата“, „дър- вото“, „звездата“ и сфероидът събират и запазват енергията, транспортират хранителни вещества, в отделни случаи подпомагат движението, укрепват тъканите.

Тези основни форми се повтарят не само на различни равнища в организацията на живата материя, но и по време на дългия път на живота в течение на милиарди години. При това изглежда, че микросветът е бил своеобразен опитен полигон, на който най-напред са изпробвани първичните форми, преди да получат „пътния лист“ за живота. Поне за еволюцията на „златната спирала“ това е било правило – двойната спирала се е образувала именно в микросвета. Сфероидната форма се появява най-напред при древните бактерии.

Чрез образуването на своите основни форми, функции и тенденции на развитие животът още в началото на своята еволюция очертава стратегията си, която осъществява независимо от пречките или може би именно поради пречките, които застават пред него. Макар човекът още да не се е появил, ние ще си позволим да завършим тези редове със символичните стихове на белгийския поет Емил Верхарен:

Животът се е ширнал широко, горделиво.
Надеждата по него във галоп лети.
И сливат се човешките мечти
с желанията на огромната вселена.
И извор чист на сила съкровена
се ражда във душата. Втурваш се напред.
Преградата, изпречена пред теб,
е само камък, който точи твойт
е сили.

Фиг. 7. Сходство във формата на гръбначни животни (главно палеозойски представители на рибите) и самолети от различни поколения. Източник: сп. „Знание – сила“, 1983. Този подход е в основата на биониката, която изследва морфологията и поведението на животните с оглед разработване на различни технологии

Форми

А прегради, както ще видим, има много и най-главната – липсата на достатъчно кислород в атмосферата, трябва да се преодолее от живота, преди да настъпи ерата на главозамайващото и вълнуващо разнообразие на живия свят.

В края на тези редове за универсал- ните форми при организмите нека да отбележим, че след като еволюцията избира (очевидно) най-благоприятни форми за организация на материята от глобално космическо (и галактиче- ско) равнище до микросвета, то тогава е разбираемо защо човекът „копира“ познати от еволюцията форми в своя- та разнообразна житейска и творческа дейност (фиг. 8).
И днес в търсенето на нови инженерни решения за проекти на различни съвременни обекти проектантите намират идеи в изпитаните от еволюцията морфоложки форми. Колаж: Т. Николов. Илюстрации: Internet

Фиг. 8. Основните морфоложки форми, утвърдени от еволюцията, се виждат като реминисценции в творбите на художници, скулптори, архитекти, инженери, защото са претърпели бурите на геоложката еволюция

Очевидно е, че дългата история на еволюцията е довела до днешния свят с наговата пъстрота на видове, форми и поведение. Поради това е разбираемо съвременните творци да виждат идеи за своите творчески търсения в истори- ята на миналите геоложки епохи. Но това е само едната страна на поуките от геоложката еволюция. Човечеството трябва по-дълбоко да вникне в нейните уроци. Вероятно мнозина ще се учудят, че ние сме рожба на тази еволюция (!), която още не е осъзнала какво сме получили в наследство и че бъдещето ни зависи от осъзнаване на необходимостта от запазване (в най-широк смисъл) на постиженията на еволюцията и възпитанието на всички да запазим съкровищата на дългата история на Земята и на живота върху нея.

Литература

Николис, П., И. Пригожин, 1979. Самоорганизация в неравновесных системах. М., „Мир“. Николов, Т., 1983. Дългият път на живота. С., „Наука и изкуство“. Николов, Т., 2013. Основи на палеонтологията и историчната геология. С., УИ „Св. Климент Охрид- ски“, IV доп. изд. Николов, Т., 2019. Еволюцията – тази сладка загадка. С., Изд. на БАН „Проф. Марин Дринов“, 320 с. (под печат). Эйген, М., 1973. Самоорганиизация материи и эволюция биологических макромолекул. M., „Мир“. Cahen, D. et al., 1991. Dinosaurs & Co. Fossiles et robots. Catalogue. Bruxelles, Inst. Royal Sc., 115 p. Ehrman, L., P.A. Parson, 1981. Behavior genetics and evolution. N.Y., McGraw Hill Book Co. Marion, J.B., 1971. Physics and the Physical Univers. John Wiley & Sons, Inc., Nikolov, T., 2018. Science versus Fear. Global Problems and Global Resposibilities. Invited Article – The International Journal of Organizational Innovation, USA, Vol. 11, No 2, 22 p. Simpson, G. G., 1953. The major features of evolution. N.Y., Columbia Univ. Press.

Вашият коментар

Галактика