16 гифок, которые влюбляют в биологию

Хотя российским школьникам и не нужно препарировать лягушек, на многих уроки биологии и без того наводят ужас. Столько всего нужно зубрить, а потом сдавать бесконечные тесты и лабораторные. Но в биологии (ровно как в физикеи химии) нет ничего страшного, если уметь правильно подойти к делу. «Мел» собрал 16 гифок, после просмотра которых вам наверняка захочется купить микроскоп или даже открыть учебник. Происходящее на гифках объясняет преподаватель биологии и методист Школы «Летово» Алина Корбут.

1. Муравей и паук

Это небольшой фрагмент видео, на основании которого можно подумать, что судьба муравья печальна, и удивиться, зачем же он сиганул прямо в объятия смерти. Но всё не так просто.

В этом ролике черные муравьи-бульдоги из Австралии целой бандой нападают на паука-охотника — добычу, превосходящую их по размерам во много раз — и одерживают победу. Первый муравей прыгает на паука и, когда тот хватает его, коварно впрыскивает дозу яда в область «мозга» (окологлоточных нервных узлов), что спустя короткое время приводит к параличу; после этого другие члены муравьиной колонии спешат атаковать беспомощную жертву. Видно, что триумфаторы с удовольствием пьют голубую кровь (точнее, гемолимфу) жертвы, — ее цвет обусловлен медьсодержащим гемоцианином, выполняющим ту же функцию, что и наш гемоглобин. Конечно, первый муравей рискует больше других, но общественные насекомые вообще очень склонны жертвовать собой ради блага собратьев (вся колония — одна большая семья с «разделением труда»).

2. Мимоза стыдливая

Мимоза стыдливая разрушает стереотипы о растениях как о неподвижных существах, безразличных к событиям внешнего мира. Чтобы защититься от вредителей, мимоза складывает листочки в ответ на прикосновения. Реакция происходит на удивление быстро. Механизм движения основан на быстрой потере воды клетками, расположенными в основании каждого листочка сложного листа. Именно внутриклеточное давление воды (тургор) позволяет всем растениям поддерживать свою форму. Интересно, что в ответ на прикосновение возникают токи ионов через мембрану, как и у нас с вами, и можно запустить ту же реакцию при помощи электрического импульса. Многие растения двигаются: некоторые примерно так же быстро (хищное растение венерина мухоловка), некоторые медленнее (открывание и закрывание цветков в определенные часы, обвивание опоры вьющимися растениями).

3. Слизевик ищет еду

Познакомьтесь с удивительным существом — слизевиком Phusarium polycephalum. У него необычная внешность, но его собратьев нетрудно встретить в лесах средней полосы на трухлявых пнях, бревнах и в лесной подстилке. Тело слизевика называют плазмодием. Можно сказать, что это одна огромная клетка — комок цитоплазмы со множеством ядер, который образовался в результате многократного деления ядра одной-единственной исходной клетки. Это существо способно ползать в поисках еды или укрытия (оно предпочитает овсянку, темноту и высокую влажность). В последние годы слизевик попал в фокус пристального внимания учёных благодаря своим «интеллектуальным» способностям. Оказалось, что, несмотря на отсутствие нервной системы, слизевик может находить кратчайший путь в лабиринте, «запоминать» неприятные воздействия и избегать их. Как он это делает? Это пока не до конца ясно, но оказалось, что он может разрабатывать транспортные системы городов (когда овсяные хлопья разложили в соответствии с расположением городов в разных странах, он воспроизвел карты железных дорог), управлять простым роботом, работать в качестве логического элемента. У него даже обнаружены свойства мемристора. Кто знает, может быть, будет создан биокомпьютер из слизевиков.

4. Шагающий белок кинезин

Этот жизнерадостный работяга тащит груз по рельсам к месту назначения, расходуя при этом энергию. Представьте себе, это происходит каждую секунду в любой из ваших клеток. Клетки — не просто пузыри с жидкостью, это настоящие чудеса архитектуры. Нити цитоскелета в них играют роль несущих и движущихся конструкций, а также транспортных рельсов. Одна из таких конструкций — микротрубочка, зеленоватая «дорога», а точнее, труба, по которой марширует кинезин. За собой он тянет мембранный пузырёк, или везикулу, в которую могут быть упакованы различные грузы, например, какой-нибудь гормон, который клетка собирается выделить наружу. В соцсетях распространилось мнение, что в этом пузырьке «гормон счастья» эндорфин — в принципе, это возможно, хотя нельзя не отметить, что состояние счастья не сводится к действию лишь одного вещества.

Похожий по строению белок миозин, который тоже умеет шагать, но по другому типу нитей, отвечает за сокращение наших мышц.

5. Сердце на МРТ

МРТ — это метод исследования внутренней структуры организма, который позволяет хорошо разглядеть мягкие ткани, тогда как известный всем рентген в этом не силен и больше подходит для изучения костей. При МРТ организм не подвергается действию вредного ионизирующего излучения, а помещается в переменное магнитное поле. Хотя лежать в трубе МР-томографа не особенно приятно, исследования показывают, что это совсем не вредно, зато врачи могут получить массу полезной информации о структуре и работе внутренних органов.

В данном случае мы наблюдаем работу сердца, которое у нас, как и у других млекопитающих, четырёхкамерное. Две камеры, которые на картинке расположены слева внизу, — это предсердия, собирающие кровь от всего тела (правое предсердие) и от лёгких (левое предсердие). Накопив пришедшую кровь, предсердия сокращаются, при этом открываются клапаны, и кровь поступает в две другие камеры — желудочки, они видны правее и выше. Затем наступает фаза сокращения желудочков. Закрытые клапаны не пропускают кровь обратно в предсердия, и она изливается в артерии — сосуды, отходящие от сердца (их в этом ракурсе не видно). После этого наступает полное расслабление сердца, оно «отдыхает». Клапаны в основании артерий не дают крови идти обратно. Но отдых недолог — нужно снова приниматься за работу и осуществлять очередное сокращение.Глядя на эту картину, врач может сказать, нет ли у пациента врожденных пороков или других заболеваний сердца.

6. МРТ

В данном случае проведено не простое, а усовершенствованное МРТ-исследование — это исследование с контрастом. Оно значительно более информативно, особенно для изучения кровообращения и обнаружения опухолей. Мы видим густую сеть сосудов, снабжающих кровью мозг и другие органы головы и шеи. Каждый сосуд хорошо виден благодаря тому, что в кровоток введено парамагнитное контрастное вещество — соль редкоземельного металла гадолиния. Гадолиний трудно получать в чистом виде, поэтому одна доза контраста стоит от 5 до 10 тысяч рублей.

7. Вся эволюция в одной гифке

Эта гифка рассказывает историю жизни на Земле. Складывается ощущение, что эволюция идет победным маршем по направлению к человеку, но это не так. Очень важно держать в голове, что, хотя все организмы произошли от одного общего предка (это доказывают генетические исследования), на современной Земле сосуществуют и простые, и сложные организмы, представители самых разных эволюционных ветвей. Эволюцию иллюстрирует не лестница, а древо, а человек — не «венец творения», а лишь один из множества братьев и сестер в большой семье. Какие-то из «копий» — потомков размножившегося организма — вымерли, какие-то изменились в одном направлении, какие-то — в другом. Так возникло великое множество ветвей, часть из которых оборвались, не дойдя до наших дней, а часть имеет ныне живущих представителей. В данном случае всё «кончается» человеком, потому что нам так привычнее, но, думаю, что дельфин, инфузория или пальма нарисовали бы немного другой мультфильм, если бы могли. А на самом деле ход эволюционной истории не зависит от того, кто на нее смотрит.

8. Ребенок в утробе

Здесь отражена последовательность событий в ходе развития человека. Тело человека образуется в результате деления одной клетки — оплодотворенной яйцеклетки, которая обычно приходит по фаллопиевой трубе в полость матки, уже много раз поделившись. Маленький зародыш на стадии бластулы внедряется в стенку матки и вступает с ней в тесную связь. Вокруг зародыша образуется околоплодный пузырь (амнион), заполненный жидкостью, в котором плавает эмбрион. Мы, наземные позвоночные, вынуждены создавать кусочки моря вокруг своих зародышей, чтобы защитить их и поместить в комфортные условия. В случае млекопитающих это происходит в матке, в случае рептилий и птиц — внутри яйца.Разными цветами на ранних стадиях показаны зародышевые листки — основные группы клеток, дающие начало разным системам органов.

9. Взрыв стручка

На самом деле это не стручок, а стручковидная коробочка недотроги — совершенно обычного растения в наших краях. В детстве я очень любила их «взрывать», для этого нужно немного надавить на созревший плод. Таким способом семена распространяются подальше от родительского растения. Створки коробочки при этом быстро скручиваются в спираль. В этом механизме, как и в складывании листочков мимозы, замешаны изменения тургорного давления (давления клетки на стенку изнутри). Активно разбрасывают свои семена многие растения, например, бешеный огурец, который «плюётся» клейкой массой, содержащей семена. Плоды так называемого «динамитного дерева» (Hura crepitans), растущего в Америке, разбрасывают семена на расстояние 100 м, «взрываясь» с громким звуком.

10. Кто как летает?

Биомеханика полета — интересная область на стыке физики и биологии, которая может быть полезна инженерам. Мы можем видеть траектории, описываемые разными точками крыла разных животных, и пытаться понять, что у них общего, а что разного, и почему. Здесь показаны летающие представители разных типов и классов животных — млекопитающих, птиц, насекомых. Интересно, например, что две пары крыльев стрекозы движутся не синхронно, а бабочка-бражник пользуется каждой парой крыльев фактически как одним крылом. Полет колибри отличается от полета других птиц, больше напоминая полет насекомого; как и бабочки-бражники, колибри умеют «зависать» над цветком, чего не умеют другие птицы.

11. Кто как дышит

Здесь показаны механизмы дыхания животных из разных систематических групп. У человека газообмен происходит в альвеолах — маленьких «пузырьках» в лёгких. Когда мы делаем вдох, грудная клетка расширяется, и вслед за ней растягивается легкое. В самом легком нет мышц, участвующих в нагнетании воздуха. Спокойный выдох пассивен и представляет собой обратный процесс, связанный с расслаблением мышц.

У птиц всё гораздо сложнее. В ходе эволюции у них в порядке адаптации к полету выработался уникальный механизм «двойного дыхания». Только птицы имеют воздушные мешки — специальные структуры для запасания воздуха, которые находятся между органами и даже в костях. Система устроена так, что свежий, насыщенный кислородом воздух проходит через легкие в одном и том же направлении и на вдохе, и на выдохе. При этом птица просто не может задохнуться или перегреться в полете — она дышит тем интенсивнее и охлаждается тем лучше, чем быстрее машет крыльями. Нам бы пригодилась подобная конструкция, когда мы бежим стометровку.

У насекомых есть то, чего нет ни у кого из позвоночных, — система тончайших ветвящихся трубочек (трахей), которые подходят практически к каждой клетке, обеспечивая газообмен. Благодаря этому кровь насекомых освобождена от функции транспортировки кислорода и потому бесцветна. У них также есть воздушные резервуары, объем которых меняется за счет сокращения мышц тела. При движении вентиляция системы трахей происходит более эффективно. Однако за счет несовершенной системы нагнетания воздуха жизнедеятельность насекомых сильно зависит от концентрации кислорода в атмосфере. Считается, что гигантские стрекозы с размахом крыльев до 70 см, существовавшие в каменноугольном и пермском периодах, не смогли бы выжить сегодня в том числе и из-за более низкой концентрации кислорода в современной атмосфере.

12. Тихоходка размером в один миллиметр

Тихоходки — удивительные существа, которые эволюционно близки к членистоногим, но не относятся к ним. По-английски их называют water bears, водяные медведи. «Медвежата» невелики — не более 1.5 мм. У них есть четыре пары ног с коготками и хоботок, которым они прокалывают покровы растений. Они прославились своей способностью переносить самые ужасные условия — кипячение, замораживание в жидком гелии, вакуум, уровень радиации в 1000 раз выше, чем может выдержать человек, и т. д. Их даже оставляли на некоторое время в открытом космосе — им всё нипочём. Механизмы такой жизнестойкости сейчас активно исследуют учёные.

13. Рыба из семейства опистопроктовых

Рыба малоротая макропинна, или бочкоглаз, имеет прозрачную голову. Но это ещё не всё. Два её больших зелёных глаза находятся полностью внутри головы. Глаза могут поворачиваться и смотреть как вперёд, так и вверх. Два отверстия, которые можно принять за глаза, — на самом деле ноздри. Почему она такая странная? Дело в том, что она обитает на большой глубине. Комбинация прозрачной головы и подвижных глаз помогает высматривать добычу как впереди, так и вверху.

14. Гримпотевтис (осьминог Дамбо)

Осьминог Дамбо, или гримпотевтис — глубоководный моллюск, который отличается от других осьминогов наличием смешных плавников, напоминающих слоновьи уши. Он встречается на глубине до 7 километров. Плавники помогают ему плавать и парить в толще воды. Он способен развивать большую скорость, когда охотится или спасается от хищников.

15. Плазмодиальный слизевик Physarum polycephalum

О слизевике мы уже немного рассказали выше.В этом эксперименте слизевику, похоже, предложили кусочки еды разной «вкусности» (вероятно, это блоки агара с овсяным отваром разной концентрации), а также нечто неприятное, например, соль. Неприятного он избегает, обходя на некотором расстоянии, так как соль диффундирует в окружающие области подложки, а вот из еды отлично умеет выбирать самую вкусную, и только когда она иссякает, «доедает» остатки. Это пример time-lapse-съемки, которая сильно ускорена — на самом деле даже крупный слизевик мигрирует со скоростью не больше сантиметра в час.

16. Лейкоциты избивают и грабят паразита

В крови человека есть белые кровяные клетки, задача которых — защищать наш организм от нежелательных вторжений. Один из типов этих клеток — эозинофилы — специализируется на борьбе с червями и другими подобными паразитами. Можно наблюдать, как эти клетки реагируют на микроскопического круглого червя: они активно мигрируют к нему, приклеиваются и могут буквально создать вокруг него оболочку, изолируя непрошенного гостя от организма и выделяя неприятные для него вещества. Но то, что мы видим на картинке, во-первых, ускорено, во-вторых, происходит в культуре, а не в реальном организме.