Знаменитый английский натуралист и путешественник Чарлз Робин Дарвин в своей книге «Происхождение видов» убедительно доказал, что всё живое на Земле изменяется, более простые формы жизни дают начало более сложным. Простейшие живые организмы, появившиеся 2-3 миллиарда лет назад, связаны длинной цепью превращений с высшими растениями и животными, обитающими на Земле в настоящее время. На пути длительного исторического развития происходили многочисленные преобразования и усложнения, появление новых, всё более совершенных форм.

Но все живые организмы носят на себе след происхождения от самого отдалённого предка. Этот след – клеточное строение .

Первый микроскоп Роберта Гука

Изучение клеточного строения стало возможным лишь после изобретения в XVII столетии микроскопа . Одним из первых изобретателей микроскопа был английский естествоиспытатель и изобретатель Роберт Гук . Когда оригинальная модель микроскопа была им сконструирована, перед изумлённым взором учёного открылся новый, доселе невиданный мир. С помощью своего микроскопа Гук исследовал всё, что попадалось под руку.

Микроскоп Гука был очень несовершенным инструментом. Он давал расплывчатое, неясное изображение. Несовершенны были также увеличительные приборы XVIII столетия. Вот почему до середины XIX века строение открытых Гуком мельчайших частиц продолжало оставаться для учёных неясным.

Строение и жизнь клеток

Если взглянуть на зрелую сочную мякоть арбуза, на изломе мякоти можно заметить крошечные, играющие на солнце, как капли росы, розовые крупинки. Это – клетки арбузной мякоти. В них накопилось столько сока, что они достигли размеров, при которых клетка становится заметной без микроскопа. Ближе к корке клетки становятся мельче. В тонком ломтике корки под микроскопом видны прямоугольные коробочки – клетки. Их стенки – клеточные оболочки – состоят из очень прочного вещества – клетчатки . Под защитой оболочки находятся основные части клетки: полужидкое вещество – протоплазма и шаровидное тельце – ядро . Клетка арбузной мякоти – один из примеров строения растительной клетки. Все органы растения – корень, стебель, листья, цветы, плоды состоят из бесчисленного множества клеток.

Строение животной клетки отличается от растительной только отсутствием обособленной клеточной оболочки и клеточного сока. Основные части – протоплазма и ядро – имеются и в растительных и в животных клетках. Это позволяет говорить о клеточном строении и растений и животных.

Как размножаются клетки

Способность клеток к размножению имеет огромное значение для организма. Миллионы клеток непрерывно отмирают, выполнив свою жизненную задачу. Всего около трёх недель живут красные кровяные клетки. Не более месяца существуют покровные клетки нашего тела, превращаясь затем в мёртвые роговые чешуйки . И если бы запас этих клеток не пополнялся путём постоянного размножения, то организму грозила бы очень скорая гибель. Но в глубоких слоях покровной ткани кожи беспрерывно происходит размножение молодых покровных клеток . Красные кровяные клетки образуются путём размножения молодых кроветворных клеток в костном мозгу , где и происходит развитие кровяных элементов.

Размножение клеток происходит путём деления надвое . При этом обнаруживается замечательное явление исключительно точного разделения клеточного ядра на две равные части. Дочерние клетки похожи друг на друга и неотличимы от материнской клетки. Клетка любого типа при размножении образует только себе подобные клетки.

Цитология - наука, изучающая строение и функ­ции клеток. Клетка является элементарной струк­турной и функциональной единицей живых организ­мов. Клеткам одноклеточных организмов присущи все свойства и функции живых систем.

Клетки многокле­точных организмов дифференцированы по строению и функциям. Примеры: амеба, инфузории, эвглены, малярийные плазмодии - это самостоятельные ор­ганизмы, которым присущи все перечисленные выше свойства жизни

Химический состав клетки

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ

Атомный состав: в состав клетки входит около 70 элементов периодической системы элементов Мен­делеева. 24 из них присутствуют во всех типах клеток. Такие элементы, как О, С, >ї, Н, в, Р, называются ор­ганогенами, так как входят в состав любых организ­мов. Элементный состав клетки делится на три основ­ные группы:

макроэлементы: О, С, К, Н, в, К, Са, Ш, Р; микро­элементы: Ее, С1, вц А1, Мп; ультрамикроэлемен­

ты: гп, Си, Вг, Е, I.

Молекулярный состав: в состав клетки входят моле­кулы неорганических и органических соединений.

К неорганическим веществам клетки относят воду. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдель­ными молекулами воды образуются водородные свя­зи, определяющие физические и химические свойства воды.

Именно наличие водородных связей обеспечивает процессы терморегуляции в организмах, транспорт растворов по стеблям растений, строение многих орга­нических соединений.

Физические свойства воды

и Высокая теплопроводность воды обеспечива­ет равномерное распределение тепла по всему объему жидкости, находящейся в клетках, что предохраняет организм от перегрева.

■ Высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме.

■ Высокая теплота парообразования. Для испа­рения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих дру­гих веществ. Это свойство воды предохраняет орга­низм от перегрева.

■ Молекулы воды находятся в постоянном дви­жении, сталкиваясь друг с другом в жидкой фазе.

■ Вода может находиться в трех состояниях - жид­ком, твердом и газообразном.

■ Сцепление и поверхностное натяжение. Водо­родные связи обуславливают вязкость воды и сцепле­ние её молекул с молекулами других веществ (когезия). Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, обладающая такой характери­стикой, как поверхностное натяжение.

и Плотность. При охлаждении движение моле­кул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наи­большей плотности вода достигает при 4 °С. При за­мерзании вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей) и ее плотность умень­шается. Поэтому лед плавает.

■ Способность к образованию коллоидных струк­тур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствую­щую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекула­ми воды, образуют коллоидные растворы (цитоплаз­ма, межклеточные жидкости).

Биологические функции воды

Транспортная функция

Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение про­дуктов метаболизма. В природе вода переносит про­дукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам.

Метаболическая функция

■ Вода является средой для всех биохимических ре­акций.

■ Вода является донором электронов при фотосин­тезе.

■ Вода необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров.

Вода участвует в образовании смазывающих жидко­стей и слизей, секретов и соков в организме.

Уменьшению трения способствуют следующие жид­кости организма: синовиальная (имеющаяся в суста­вах позвоночных животных), плевральная (в плевраль­ной полости), перикардиальная (в околосердечной сумке).

Слизи облегчают передвижение веществ по кишеч­нику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей и др.

Секреты - это слюна, слёзы, желчь, сперма и т. д. Неорганические ионы

К неорганическим ионам клетки относятся: ка­тионы К + , Ка + , Са 2+ , М£ 2+ , N1^ и анионы СГ,

N0", н 2 ро;, нсо;, нро 2 "

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникно­вение потенциала действия, что лежит в основе нерв­ного и мышечного возбуждения

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую pH внутрикле­точной среды организма на уровне 6-9.

Угольная кислота и её анионы создают бикарбонат- ную буферную систему и поддерживают pH внеклеточ­ной среды (плазмы крови) на уровне 7-4.

Соединения азота служат источником минераль­ного питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот. Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитино­вого покрова членистоногих. Ионы кальция - входят в состав вещества костей; они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свёртывания крови.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №3

1. Назовите макро- и микроэлементы клетки.

2. Какие физические свойства воды определяют ее биологическое значение?

3. В чем заключается различие между полярными и неполярными растворителями?

4. Какова роль катионов и анионов солей в организ­ме? Что такое буферная система?

5. Какое из свойств воды обусловлено ее полярно­стью?

а) теплопроводность; б) теплоемкость; в) способ­ность растворять неполярные соединения; г) способ­ность растворять полярные соединения.

6. У детей развивается рахит при недостатке:

а) марганца и железа; б) кальция и фосфора; в) меди и цинка; г) серы и азота.

7. Передача возбуждения по нерву объясняется:

а) разностью концентраций ионов натрия и калия внутри и вне клетки; б) разрывом водородных связей между молекулами воды; в) полярностью воды г) раз­ностью концентраций внутри клетки кальция и фос­фора.

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ

Углеводы, липиды

Общая формула углеводов С п (Н 2 0) п.

Растворимые в воде углеводы

Растворимые в воде углеводы выполняют в орга­низме следующие функции: транспортную, защитную, сигнальную, энергетическую.

Моносахариды. Глюкоза - основной источник энергии для клеточного дыхания. Фруктоза - со­ставная часть нектара цветов и фруктовых соков. Рибоза и дезоксирибоза - структурные элемен­ты нуклеотидов, являющихся мономерами РНК и ДНК.

Дисахариды. Сахароза (глюкоза + фруктоза) - основной продукт фотосинтеза, транспортируемый в растениях. Лактоза (глюкоза + галактоза) - вхо­дит в состав молока млекопитающих. Мальтоза (глю­коза + глюкоза) - источник энергии в прорастающих семенах.

Нерастворимые в воде углеводы

Полимерные углеводы, крахмал, гликоген, цел­люлоза, хитин, нерастворимы в воде.

Функции полимерных углеводов: структурная, за­пасающая, энергетическая, защитная.

Крахмал - состоит из разветвленных спирали- зованных молекул, образующих запасные вещества в тканях растений.

Целлюлоза - полимер, образованный остатками глюкозы, состоящими из нескольких прямых парал­лельных цепей, соединенных водородными связями. Такая структура препятствует проникновению воды и обеспечивает устойчивость целлюлозных оболочек растительных клеток.

Хитин - основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.

Гликоген - запасное вещество животной клетки.

Липиды - это сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных растворителях. Присутствуют во всех клетках. Липиды состоят из атомов водорода, кисло­рода и углерода.

Виды липидов: жиры, воска, фосфолипиды, стеро- лы (стероиды).

Функции липидов

Запасающая - жиры откладываются в запас в тка­нях позвоночных животных.

Энергетическая - половина энергии, потребляе­мой клетками позвоночных животных в состоянии по­коя, образуется в результате окисления жиров. Жиры используются и как источник воды.

Защитная - подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений

Структурная - фосфолипиды входят в состав клеточных мембран.

Теплоизоляционная - подкожный жир помогает сохранить тепло.

Электроизоляционная - миелин, выделяемый клетками Шванна, изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов.

Питательная - желчные кислоты и витамин Б образуются из стероидов.

Смазывающая - воска покрывают кожу, шерсть, перья и предохраняют их от воды.

Восковым налетом покрыты листья многих растений, воск используется в строительстве пчелиных сот.

Гормональная - гормон надпочечников - корти­зон и половые гормоны имеют липидную природу. Их молекулы не содержат жирных кислот.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ №4

1. Какое из названных химических соединений не является биополимером?

а) белок; б) глюкоза; в) дезоксирибонуклеиновая кислота; г) целлюлоза.

2. Углеводы при фотосинтезе синтезируются из:

а) 0 2 и Н 2 0; б) С0 2 и Н 2 ; в) С0 2 и Н 2 0; г) С0 2 и Н 2 С0 3 .

3. В клетках животных запасным углеводом явля­ется:

а) целлюлоза; б) крахмал; в) муреин; г) гликоген.

4. Какое из указанных соединений имеет липидную природу?

а) гемоглобин; б) инсулин; в) тестостерон; г) пени­циллин.

5. Перечислите функции липидов в организме.

6. В каких органах растений и животных сосредото­чены жиры?

Белки - это биологические гетерополимеры, мо­номерами которых являются аминокислоты. По­лимеры, состоящие из аминокислот, называют полипептидами. Белки синтезируются в живых ор­ганизмах и выполняют в них определённые полез­ные функции.

Рис. Структура белка:

1 - первичная структура, 2 - вторичная структура, 3 - тре­тичная структура, 4 - четвертичная структура

Все белки являются полипептидами, но не все по­липептиды - белками. В состав белков может входить 20 различных аминокислот. Чередование разных ами­нокислот в полипептидной цепи позволяет получать огромное количество разных белков.

Последовательность аминокислот в молекуле белка образует его первичную структуру (рис. 1). Она, в свою

очередь, зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК (гене), кодирующем данный белок.

Во вторичной структуре молекула белка имеет вид спирали (рис. 2). Между СО - и ИН - группа­ми аминокислотных остатков соседних витков спира­ли возникают водородные связи, удерживающие цепь. Молекула белка, имеющая сложную конфигурацию в виде глобулы, приобретает третичную структуру (рис. 3). Прочность этой структуры обеспечивается ги­дрофобными, водородными, ионными и дисулъфидны- ми связями.

Некоторые белки имеют четвертичную структуру, образованную несколькими полипептидными цепя­ми - третичными структурами (рис. 4). Четвертичная структура также удерживается слабыми нековалент­ными связями - ионными, водородными, гидро­фобными. Однако прочность этих связей невелика, и структура может быть легко нарушена. Нарушение (денатурация) четвертичной, третичной и вторичной структур обратимо. Разрушение первичной структуры необратимо.

Функции белков

и Каталитическая (ферментативная) - бел­ки ускоряют расщепление питательных веществ в пи­щеварительном тракте, фиксацию углерода при фото­синтезе, участвуют в реакциях матричного синтеза. Ферменты - это специфические белки, обладающие активным центром - участком молекулы, соответ­ствующим по геометрической конфигурации молеку­лам субстрата. Каждый фермент ускоряет одну и толь­ко одну реакцию (как в прямом, так и в обратном направлении). Скорость ферментативных реакций за­висит от температуры среды, уровня ее pH, а также от концентраций реагирующих веществ и концентрации фермента.

Фермент Фермент

Активный

Субстрат Продукты

■ Транспортная - белки обеспечивают актив­ный транспорт ионов через клеточные мембраны, транспорт кислорода и углекислого газа (гемоглобин), транспорт жирных кислот (сывороточный альбумин).

■ Защитная - антитела, обеспечивают иммунную защиту организма; фибриноген и фибрин защищают организм от кровопотерь.

■ Структурная - белки входят в состав клеточ­ных мембран; белок кератин образует волосы и ногти; белки коллаген и эластин - хрящи и сухожилия.

■ Сократительная - обеспечивается сократитель­ными белками - актином и миозином.

■ Сигнальная - белковые молекулы могут прини­мать сигналы и служить их переносчиками в организ­ме (гормонами). Следует помнить, что не все гормоны являются белками.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ № 5

1. Дайте определение понятию «белок».

2. Перечислите основные функции белков и объяс­ните, как строение белка определяет выполнение этих функций.

3. Приведите примеры различных белков.

4. Как образуется пептидная связь?

5. Объясните особенности структурной организации белковой молекулы.

6. Что такое денатурация?

Нуклеиновые кислоты. Реакции матричного синтеза

Структура молекулы ДНК была установлена в 1953 г. американцем Джеймсом Уотсоном и англичанином Френсисом Криком.

ДНК - линейный полимер, имеющий вид двойной спирали, образованной парой антипараллельных ком­плементарных цепей. Мономерами ДНК являются ну­клеотиды.

Каждый нуклеотид ДНК состоит из пуринового (А - аденин или Г - гуанин) или пиримидинового (Т - тимин или Ц - цитозин) азотистого основания, пятиуглеродного сахара - дезоксирибозы и фосфат­ной группы.

Молекула ДНК имеет следующие параметры: шири­на спирали, около 2 нм, шаг, или полный оборот спи­рали, - 3,4 нм. В одном шаге содержится 10 компле­ментарных пар нуклеотидов. Нуклеотиды в молекуле ДНК обращены друг к другу азотистыми основаниями и объединены парами в соответствии с правилами ком- плементарности: напротив аденина расположен тимин, напротив гуанина - цитозин. Пара А - Т соединена двумя водородными связями, а пара Г - Ц - тремя.

Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками.

Репликация ДНК - это процесс самоудвоения мо­лекулы ДНК, осуществляемый под контролем фермен­тов.

На каждой из цепей, образовавшихся после разры­ва водородных связей, при участии фермента ДНК-по- лимеразы синтезируется дочерняя цепь ДНК. Мате­риалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, имеющиеся в цитоплазме клеток.

Синтез дочерних молекул на соседних цепях идет с разной скоростью. На одной цепи новая молекула со­бирается непрерывно, на другой - с некоторым отста­ванием и фрагментарно. После завершения процесса фрагменты новых молекул ДНК сшиваются фермен­том ДНК - лигазой. Так из одной молекулы ДНК возникает две, являющиеся точной копией друг дру­га и материнской молекулы. Такой способ репликации называется полуконсервативным.

Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от ма­теринской молекулы к дочерним, что и происходит при делении соматических клеток.

РНК - линейный полимер, состоящий, как прави­ло, из одной цепи нуклеотидов. В составе РНК тимино­вый нуклеотид замещен на урациловый (У). Каждый нуклеотид РНК содержит пятиуглеродный сахар - рибозу, одно из четырех азотистых оснований и оста­ток фосфорной кислоты.

Матричная, или информационная, РНК. Синтези­руется в ядре при участии фермента РНК-полимера- зы. Комплементарна участку ДНК, на котором проис­ходит синтез. Составляет 5% РНК клетки. Рибосомная РНК - синтезируется в ядрышке и входит в состав рибосом. Составляет 85% РНК клетки. Транспортная

РНК (более 40 видов). Транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка. Имеет форму клеверного листа и состоит из 70-90 нуклеотидов.

Реакции матричного синтеза

К реакциям матричного синтеза относят репли­кацию ДНК, синтез РНК на ДНК (транскрипцию), и синтез белка на мРНК (трансляцию), а также син­тез РНК или ДНК на РНК вирусов.

Молекула иРНК выходит в цитоплазму на рибосо­мы, где происходит синтез полипептидных цепей. Про­цесс перевода информации, содержащейся в последо­вательности нуклеотидов иРНК, в последовательность аминокислот в полипептиде называется трансляцией.

Определённая аминокислота доставляется к рибосо­мам определённым видом тРНК из цитоплазмы. тРНК (iантикодон) находит комплементарный триплет на иРНК (кодон) и отщепляет доставленную аминокисло­ту в белковую цепь. Подробнее процесс биосинтеза белка будет рассмотрен ниже.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ Мб

1. Расскажите о строении нуклеиновых кислот, сравнив их по составу и функциям, выполняемым в организме.

2. Какова последовательность реакций матричного синтеза?

3. Трансляция осуществляется в процессе

а) перевода информации с ДНК на РНК; б) репли­кации ДНК; в) перевода информации РНК в последо­вательность аминокислот в белке; г) репарации ДНК.

4. В каком случае правильно указан состав нуклео­тида ДНК?

а) рибоза, остаток фосфорной кислоты, тимин;

б) фосфорная кислота, урацил, дезоксирибоза; в) остаток фосфорной кислоты, дезоксирибоза, аденин;

г) остаток фосфорной кислоты, рибоза, гуанин.

Биология (от греческих слов bios – жизнь, logos – учение) – это наука, изучающая живые организмы и явления живой природы.

Предметом изучения биологии является многообразие живых организмов, населяющих Землю.

Свойства живой природы. Все живые организмы обладают рядом общих признаков и свойств, которые отличают их от тел неживой природы. Это особенности строения, обмен веществ, движение, рост, размножение, раздражимость, саморегуляция. Остановимся на каждом из перечисленных свойств живой материи.

Высокоупорядоченное строение. Живые организмы состоят из химических веществ, которые имеют более высокий уровень организации, чем вещества неживой природы. Все организмы имеют определенный план строения – клеточный или неклеточный (вирусы).

Обмен веществ и энергии – это совокупность процессов дыхания, питания, выделения, посредством которых организм получает из внешней среды необходимые ему вещества и энергию, преобразует и накапливает их в своем организме и выделяет в окружающую среду продукты жизнедеятельности.

Раздражимость – это ответная реакция организма на изменения окружающей среды, помогающая ему адаптироваться и выжить в изменяющихся условиях. При уколе иглой человек отдергивает руку, а гидра сжимается в комочек. Растения поворачиваются к свету, а амеба удаляется от кристаллика поваренной соли.

Рост и развитие. Живые организмы растут, увеличиваются в размерах, развиваются, изменяются благодаря поступлению питательных веществ.

Размножение – способность живого к самовоспроизведению. Размножение связано с явлением передачи наследственной информации и является самым характерным признаком живого. Жизнь любого организма ограничена, но в результате размножения живая материя «бессмертна».

Движение. Организмы способны к более или менее активному движению. Это один из ярких признаков живого. Движение происходит и внутри организма, и на уровне клетки.

Саморегуляция. Одним из самых характерных свойств живого является постоянство внутренней среды организма при изменяющихся внешних условиях. Регулируются температура тела, давление, насыщенность газами, концентрация веществ и т. д. Явление саморегуляции осуществляется не только на уровне всего организма, но и на уровне клетки. Кроме того, благодаря деятельности живых организмов саморегуляция присуща и биосфере в целом. Саморегуляция связана с такими свойствами живого, как наследственность и изменчивость.

Наследственность – это способность передавать признаки и свойства организма из поколения в поколение в процессе размножения.

Изменчивость – это способность организма изменять свои признаки при взаимодействии со средой.

В результате наследственности и изменчивости живые организмы приспосабливаются, адаптируются к внешним условиям, что позволяет им выжить и оставить потомство.

§ 44. Строение клетки

Большинство живых организмов имеет клеточное строение. Клетка – это структурная и функциональная единица живого. Для нее характерны все признаки и функции живых организмов: обмен веществ и энергии, рост, размножение, саморегуляция. Клетки различны по форме, размеру, функциям, типу обмена веществ (рис. 47).

Рис. 47. Разнообразие клеток: 1 – эвглена зеленая; 2 – бактерия; 3 – растительная клетка мякоти листа; 4 – эпителиальная клетка; 5 – нервная клетка

Размеры клеток варьируют от 3-10 до 100 мкм (1 мкм = 0,001 м). Реже встречаются клетки размером менее 1–3 мкм. Существуют также и клетки-гиганты, размеры которых достигают нескольких сантиметров. По форме клетки также весьма разнообразны: шаровидные, цилиндрические, овальные, веретеновидные, звездчатые и т. д. Однако между всеми клетками много общего. Они имеют одинаковый химический состав и общий план строения.

Химический состав клетки. Из всех известных химических элементов в живых организмах встречаются около 20, причем на долю 4 из них: кислорода, углерода, водорода и азота – приходится до 95 %. Эти элементы называют элементами-биогенами. Из неорганических веществ, входящих в состав живых организмов, наибольшее значение имеет вода. Ее содержание в клетке колеблется от 60 до 98 %. Кроме воды в клетке находятся и минеральные вещества, в основном в виде ионов. Это соединения железа, иода, хлора, фосфора, кальция, натрия, калия и т. д.

Кроме неорганических веществ в клетке присутствуют и органические вещества: белки, липиды (жиры), углеводы (сахара), нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). Они составляют основную массу клетки. Наиболее важными органическими веществами являются нуклеиновые кислоты и белки. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) участвуют в передаче наследственной информации, синтезе белков, регуляции всех процессов жизнедеятельности клетки.

Белки выполняют целый ряд функций: строительную, регуляторную, транспортную, сократительную, защитную, энергетическую. Но самой важной является ферментативная функция белков.

Ферменты – это биологические катализаторы, ускоряющие и регулирующие все многообразие химических реакций, протекающих в живых организмах. Ни одна реакция в живой клетке не протекает без участия ферментов.

Липиды и углеводы выполняют в основном строительную и энергетическую функции, являются запасными питательными веществами организма.

Так, фосфолипиды вместе с белками строят все мембранные структуры клетки. Высокомолекулярный углевод – целлюлоза образует клеточную оболочку растений и грибов.

Жиры, крахмал и гликоген являются запасными питательными веществами клетки и организма в целом. Глюкоза, фруктоза, сахароза и другие сахара входят в состав корней и листьев, плодов растений. Глюкоза является обязательным компонентом плазмы крови человека и многих животных. При расщеплении углеводов и жиров в организме выделяется большое количество энергии, необходимой для процессов жизнедеятельности.

Клеточные структуры. Клетка состоит из наружной клеточной мембраны, цитоплазмы с органеллами и ядра (рис. 48).

Рис. 48. Комбинированная схема строения животной (А) и растительной (Б) клетки: 1 – оболочка; 2 – наружная клеточная мембрана; 3 – ядро; 4 – хроматин; 5 – ядрышко; 6 – эндоплазматическая сеть (гладкая и гранулярная); 7 – митохондрии; 8 – хлоропласты; 9 – аппарат Гольджи; 10 – лизосома; 11 – клеточный центр; 12 – рибосомы; 13 – вакуоль; 14 – цитоплазма

Наружная клеточная мембрана – это одномембранная клеточная структура, которая ограничивает живое содержимое клетки всех организмов. Обладая избирательной проницаемостью, она защищает клетку, регулирует поступление веществ и обмен с внешней средой, поддерживает определенную форму клетки. Клетки растительных организмов, грибов, кроме мембраны снаружи имеют еще и оболочку. Эта неживая клеточная структура состоит из целлюлозы у растений и хитина – у грибов, придает прочность клетке, защищает ее, является «скелетом» растений и грибов.

В цитоплазме, полужидком содержимом клетки, находятся все органоиды.

Эндоплазматическая сеть пронизывает цитоплазму, обеспечивая сообщение между отдельными частями клетки и транспорт веществ. Различают гладкую и гранулярную ЭПС. На гранулярной ЭПС находятся рибосомы.

Рибосомы – это мелкие тельца грибовидной формы, на которых идет синтез белка в клетке.

Аппарат Гольджи обеспечивает упаковку и вынос синтезируемых веществ из клетки. Кроме того, из его структур образуются лизосомы. Эти шарообразные тельца содержат ферменты, которые расщепляют поступающие в клетку питательные вещества, обеспечивая внутриклеточное переваривание.

Митохондрии – это полуавтономные мембранные структуры продолговатой формы. Их число в клетках различно и увеличивается в результате деления. Митохондрии – это энергетические станции клетки. В процессе дыхания в них происходит окончательное окисление веществ кислородом воздуха. При этом выделяющаяся энергия запасается в молекулах АТФ, синтез которых происходит в этих структурах.

Хлоропласты, полуавтономные мембранные органеллы, характерны только для растительных клеток. Хлоропласты имеют зеленую окраску за счет пигмента хлорофилла, они обеспечивают процесс фотосинтеза.

Кроме хлоропластов растительные клетки имеют и вакуоли, заполненные клеточным соком.

Клеточный центр участвует в процессе деления клетки. Он состоит из двух центриолей и центросферы. Во время деления они образуют нити веретена деления и обеспечивают равномерное распределение хромосом в клетке.

Ядро – это центр регуляции жизнедеятельности клетки. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной мембраной, в которой имеются поры. Внутри оно заполнено кариоплазмой, в которой находятся молекулы ДНК, обеспечивающие передачу наследственной информации. Здесь происходит синтез ДНК, РНК, рибосом. Часто в ядре можно увидеть одно или несколько темных округлых образований – это ядрышки. Здесь образуются и скапливаются рибосомы. В ядре молекулы ДНК не видны, так как находятся в виде тонких нитей хроматина. Перед делением ДНК спирализуются, утолщаются, образуют комплексы с белком и превращаются в хорошо заметные структуры – хромосомы (рис. 49). Обычно хромосомы в клетке парные, одинаковые по форме, величине и наследственной информации. Парные хромосомы называются гомологичными. Двойной парный набор хромосом называется диплоидным. В некоторых клетках и организмах содержится одинарный, непарный набор, который называется гаплоидным.

Рис. 49. А– строение хромосомы: 1 – центромера; 2 – плечи хромосомы; 3 – молекулы ДНК; 4 – сестринские хроматиды; Б – виды хромосом: 1 – равноплечная; 2 – разноплечная; 3 – одноплечная

Число хромосом для каждого вида организмов постоянно. Так, в клетках человека 46 хромосом (23 пары), в клетках пшеницы 28 (14 пар), голубя 80 (40 пар). Эти организмы содержат диплоидный набор хромосом. Некоторые организмы, такие, как водоросли, мхи, грибы, имеют гаплоидный набор хромосом. Половые клетки у всех организмов гаплоидны.

Кроме перечисленных, некоторые клетки имеют специфические органоиды – реснички и жгутики, обеспечивающие движение в основном у одноклеточных организмов, но имеются они и у некоторых клеток многоклеточных организмов. Например, жгутики имеются у эвглены зеленой, хламидомонады, некоторых бактерий, а реснички – у инфузорий, клеток ресничного эпителия животных.

§ 45. Особенности жизнедеятельности клетки

Обмен веществ и энергии в клетке. Основой жизнедеятельности клетки являются обмен веществ и превращение энергии. Совокупность химических превращений, протекающих в клетке или организме, связанных между собой и сопровождающихся превращением энергии, называется обменом веществ и энергии.

Синтез органических веществ, сопровождающийся поглощением энергии, называется ассимиляцией или пластическим обменом. Распад, расщепление органических веществ, сопровождающийся выделением энергии, называется диссимиляцией или энергетическим обменом.

Главным источником энергии на Земле является Солнце. Клетки растений специальными структурами в хлоропластах улавливают энергию Солнца, превращая ее в энергию химических связей молекул органических веществ и АТФ.

АТФ (аденозинтрифосфат) – это органическое вещество, универсальный аккумулятор энергии в биологических системах. Солнечная энергия превращается в энергию химических связей этого вещества и расходуется на синтез глюкозы, крахмала и других органических веществ.

Кислород атмосферы, как это ни покажется странным, – побочный продукт процесса жизнедеятельности растений – фотосинтеза.

Процесс синтеза органических веществ из неорганических под действием энергии Солнца называется фотосинтезом.

Обобщенное уравнение фотосинтеза можно представить в следующем виде:

6СО 2 + 6Н 2 О – свет > С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .

В растениях органические вещества создаются в процессе первичного синтеза из углекислого газа, воды и минеральных солей. Животные, грибы, многие бактерии используют готовые органические вещества (из растений). Кроме того, при фотосинтезе образуется кислород, который необходим живым организмам для дыхания.

В процессе питания и дыхания органические вещества расщепляются и окисляются кислородом. Освобождающаяся энергия частично выделяется в виде тепла, а частично вновь запасается в синтезируемых молекулах АТФ. Этот процесс протекает в митохондриях. Конечные продукты распада органических веществ – вода, углекислый газ, соединения аммиака, которые вновь используются в процессе фотосинтеза. Запасенная в АТФ энергия расходуется на вторичный синтез органических веществ, характерных для каждого организма, на рост, размножение.

Итак, растения обеспечивают все организмы не только питательными веществами, но и кислородом. Кроме того, они преобразуют энергию Солнца и передают ее через органические вещества всем другим группам организмов.

§ 46. Типы обмена веществ у организмов

Обмен веществ как основное свойство организмов. Организм находится в сложных взаимоотношениях с окружающей средой. Из нее он получает пищу, воду, кислород, свет, тепло. Создавая посредством этих веществ и энергии массу живого вещества, строит свое тело. Однако, используя эту среду, организм благодаря своей жизнедеятельности одновременно и воздействует на нее, изменяет ее. Следовательно, главным процессом взаимосвязи организма и среды является обмен веществ и энергией.

Типы обмена веществ. Факторы внешней среды имеют различное значение для разных организмов. Растениям для роста и развития необходимы свет, вода и углекислый газ, минеральные вещества. Животным и грибам такие условия недостаточны. Им необходимы питательные органические вещества. По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные организмы синтезируют органические вещества в процессе фотосинтеза из неорганических (углекислого газа, воды, минеральных солей), используя энергию солнечного света. К ним относятся все растительные организмы, фотосинтезирующие цианобактерии. К автотрофному питанию способны и хемосинтезирующие бактерии, использующие энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ: серы, железа, азота.

Процесс автотрофной ассимиляции осуществляется за счет энергии солнечного света или окисления неорганических веществ, а органические вещества синтезируются при этом из неорганических. В зависимости от поглощения неорганического вещества различают ассимиляцию углерода, ассимиляцию азота, ассимиляцию серы и других минеральных веществ. Автотрофная ассимиляция связана с процессами фотосинтеза и хемосинтеза и носит название первичного синтеза органического вещества.

Гетеротрофные организмы получают готовые органические вещества от автотрофов. Источником энергии для них является энергия, запасенная в органических веществах и выделяющаяся при химических реакциях распада и окисления этих веществ. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.

При гетеротрофной ассимиляции организм поглощает органические вещества в готовом виде и преобразует их в собственные органические вещества за счет энергии, содержащейся в поглощенных веществах. Гетеротрофная ассимиляция включает процессы потребления пищи, переваривания ее, усвоения и синтеза новых органических веществ. Этот процесс носит название вторичного синтеза органических веществ.

Процессы диссимиляции у организмов также различаются. Одним из них для жизнедеятельности необходим кислород – это аэробные организмы. Другим кислород не нужен, и процессы их жизнедеятельности могут протекать в бескислородной среде – это анаэробные организмы.

Различают внешнее дыхание и внутреннее. Газообмен между организмом и внешней средой, включающий в себя поглощение кислорода и выделение углекислого газа, а также транспорт этих веществ по организму к отдельным органам, тканям и клеткам, называется внешним дыханием. В этом процессе кислород не используется, а только транспортируется.

Внутреннее, или клеточное, дыхание включает в себя биохимические процессы, которые приводят к усвоению кислорода, освобождению энергии и образованию воды и углекислого газа. Эти процессы протекают в цитоплазме и митохондриях эукариотных клеток или на специальных мембранах прокариотных клеток.

Обобщенное уравнение процесса дыхания:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 > 6CO 2 + 6H 2 O.

2. Другой формой диссимиляции является анаэробное, или бескислородное, окисление. Процессы энергетического обмена в этом случае протекают по типу брожения. Брожение – это форма диссимиляции, при которой богатые энергией органические вещества расщепляются с освобождением энергии до менее богатых энергией, но тоже органических веществ.

В зависимости от конечных продуктов различают типы брожения: спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и т. д. Спиртовое брожение встречается у дрожжевых грибов, некоторых бактерий, а также протекает в некоторых растительных тканях. Молочнокислое брожение встречается у молочнокислых бактерий, а также протекает в мышечной ткани человека и животных при недостатке кислорода.

Взаимосвязь реакций обмена веществ у автотрофных и гетеротрофных организмов. Через процессы обмена веществ автотрофные и гетеротрофные организмы в природе связаны между собой (рис. 50).

Рис. 50. Поток вещества и энергии в биосфере

Самыми важными группами организмов являются автотрофы, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических. Большинство автотрофов – зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза превращают неорганический углерод – углекислый газ в сложные органические соединения. Зеленые растения выделяют при фотосинтезе также кислород, который необходим для дыхания живых существ.

Гетеротрофы усваивают только готовые органические вещества, получая энергию при их расщеплении. Автотрофные и гетеротрофные организмы связаны между собой процессами обмена веществ и энергий. Фотосинтез является практически единственным процессом, обеспечивающим организмы питательными веществами и кислородом.

Несмотря на большие масштабы фотосинтеза, зеленые растения Земли используют всего 1 % солнечной энергии, падающей на листья. Одна из важнейших задач биологии – повышение коэффициента использования солнечной энергии культурными растениями, создание продуктивных сортов.

В последние годы особое внимание привлекает к себе одноклеточная водоросль хлорелла, которая содержит в своем теле до 6 % хлорофилла и обладает замечательной способностью усваивать до 20 % солнечной энергии. При искусственном разведении хлорелла быстро размножается, а в ее клетке повышается содержание белка. Этот белок используется в качестве пищевых добавок ко многим продуктам. Установлено, что с 1 га водной поверхности можно получать ежедневно до 700 кг сухого вещества хлореллы. Кроме того, в хлорелле синтезируется большое количество витаминов.

Еще один интерес к хлорелле связан с космическими полетами. Хлорелла в искусственных условиях может обеспечить кислородом, выделяемым при фотосинтезе, космический корабль.

§ 47. Раздражимость и движение организмов

Понятие о раздражимости. Микроорганизмы, растения и животные реагируют на самые разнообразные воздействия окружающей среды: на механические воздействия (укол, давление, удар и т. д.), на изменение температуры, интенсивность и направление световых лучей, на звук, электрические раздражения, изменения в химическом составе воздуха, воды или почвы и т. д. Это приводит к определенным колебаниям организма между стабильным и нестабильным состоянием. Живые организмы способны в меру своего развития анализировать эти состояния и соответствующим образом реагировать на них. Подобные свойства всех организмов называются раздражимостью и возбудимостью.

Раздражимость – это способность организма реагировать на внешние или внутренние воздействия.

Раздражимость возникла у живых организмов как приспособление, обеспечивающее лучший обмен веществ и защиту от воздействий условий среды.

Возбудимость – это способность живых организмов воспринимать воздействия раздражителей и отвечать на них реакцией возбуждения.

Воздействие окружающей среды сказывается на состоянии клетки и ее органелл, тканей, органов и организма в целом. Организм отвечает на это соответствующими реакциями.

Простейшим проявлением раздражимости является движение. Оно характерно даже для самых простейших организмов. Это можно пронаблюдать в опыте над амебой под микроскопом. Если рядом с амебой поместить небольшие комочки пищи или кристаллики сахара, то она начинает активное движение в сторону питательного вещества. С помощью ложноножек амеба обволакивает комочек, вовлекая его внутрь клетки. Там сразу же образуется пищеварительная вакуоль, в которой пища переваривается.

С усложнением строения организма усложняются как обмен веществ, так и проявления раздражимости. У одноклеточных организмов и растений нет специальных органов, обеспечивающих восприятие и передачу раздражений, поступающих из окружающей среды. У многоклеточных животных имеются органы чувств и нервная система, благодаря которым они воспринимают раздражения, а ответы на них достигают большой точности и целесообразности.

Раздражимость у одноклеточных организмов. Таксисы.

Наиболее простые формы раздражимости наблюдаются у микроорганизмов (бактерий, одноклеточных грибов, водорослей, простейших).

В примере с амебой мы наблюдали движение амебы в сторону раздражителя (пища). Такая двигательная реакция одноклеточных организмов в ответ на раздражение из внешней среды называется таксисом. Таксис вызван химическим раздражением, поэтому его называют еще хемотаксисом (рис. 51).

Рис. 51. Хемотаксис у инфузорий

Таксисы могут быть положительными и отрицательными. Поместим пробирку с культурой инфузорий-туфелек в закрытую картонную коробочку с единственным отверстием, расположенным против средней части пробирки, и выставим ее на свет.

Через несколько часов все инфузории сконцентрируются в освещенной части пробирки. Это положительный фототаксис.

Таксисы свойственны многоклеточным животным. Например, лейкоциты крови проявляют положительный хемотаксис по отношению к веществам, выделяемым бактериями, концентрируются в местах скопления этих бактерий, захватывают и переваривают их.

Раздражимость у многоклеточных растений. Тропизмы. Хотя у многоклеточных растений нет органов чувств и нервной системы, тем не менее у них отчетливо проявляются различные формы раздражимости. Они заключаются в изменении направления роста растения или его органов (корня, стебля, листьев). Такие проявления раздражимости у многоклеточных растений называются тропизмами.

Стебель с листьями проявляют положительный фототропизм и растут по направлению к свету, а корень – отрицательный фототропизм (рис. 52). Растения реагируют на гравитационное поле Земли. Обратите внимание на деревья, растущие по склону горы. Хотя поверхность почвы имеет наклон, деревья растут вертикально. Реакция растений на земное притяжение называется геотропизмом (рис. 53). Корешок, который появляется из прорастающего семени, всегда направлен вниз к земле – положительный геотропизм. Побег с листьями, развивающийся из семени, всегда направлен вверх от земли – отрицательный геотропизм.

Тропизмы очень разнообразны и играют большую роль в жизни растений. Они ярко выражены в направлении роста у различных вьющихся и лазающих растений, например винограда, хмеля.

Рис. 52. Фототропизм

Рис. 53. Геотропизм: 1 – цветочный горшок с пря-морастущими проростками редиса; 2 – цветочный горшок, положенный набок и содержащийся в темноте для устранения фототропизма; 3 – проростки в цветочном горшке изогнулись в сторону, противоположную действию силы тяжести (стебли обладают отрицательным геотропизмом)

Помимо тропизмов, у растений наблюдаются движения иного типа – настии. Они отличаются от тропизмов отсутствием определенной ориентировки к вызвавшему их раздражителю. Например, если прикоснуться к листьям стыдливой мимозы, они быстро складываются в продольном направлении и опускаются книзу. Через некоторое время листья снова принимают прежнее положение (рис. 54).

Рис. 54. Настии у стыдливой мимозы: 1 – в нормальном состоянии; 2 – при раздражении

Цветки многих растений реагируют на свет и влажность. Например, у тюльпана на свету цветки раскрываются, а в темноте закрываются. У одуванчика соцветие закрывается в пасмурную погоду и открывается в ясную.

Раздражимость у многоклеточных животных. Рефлексы. В связи с развитием у многоклеточных животных нервной системы, органов чувств и органов движения формы раздражимости усложняются и зависят от тесного взаимодействия этих органов.

В простейшем виде такое раздражение возникает уже у кишечнополостных. Если уколоть иглой пресноводную гидру, то она сожмется в комочек. Внешнее раздражение воспринимает чувствительная клетка. Возникшее в ней возбуждение передается нервной клетке. Нервная клетка передает возбуждение кожно-мышечной клетке, которая реагирует на раздражение сокращением. Этот процесс называется рефлексом (отражением).

Рефлекс – это ответная реакция организма на раздражение, осуществляемая нервной системой.

Представление о рефлексе было высказано еще Декартом. Позднее оно было развито в трудах И. М. Сеченова, И. п. Павлова.

Путь, проходимый нервным возбуждением от воспринимающего раздражение органа до органа, выполняющего ответную реакцию, называется рефлекторной дугой.

У организмов с нервной системой существует два типа рефлексов: безусловные (врожденные) и условные (приобретенные). Условные рефлексы формируются на базе безусловных.

Любое раздражение вызывает изменение обмена веществ в клетках, что приводит к возникновению возбуждения и возникает ответная реакция.

§ 48. Жизненный цикл клетки

Период жизнедеятельности клетки, в котором происходят все процессы обмена веществ, называется жизненным циклом клетки.

Клеточный цикл состоит из интерфазы и деления.

Интерфаза – это период между двумя делениями клетки. Она характеризуется активными процессами обмена веществ, синтезом белка, РНК, накоплением питательных веществ клеткой, ростом и увеличением объема. К концу интерфазы происходит удвоение ДНК (репликация). В результате каждая хромосома содержит две молекулы ДНК и состоит из двух сестринских хроматид. Клетка готова к делению.

Деление клетки. Способность к делению – это важнейшее свойство клеточной жизнедеятельности. Механизм самовоспроизведения срабатывает уже на клеточном уровне. Наиболее распространенным способом деления клетки является митоз (рис. 55).

Рис. 55. Интерфаза (А) и фазы митоза (Б): 1 – профаза; 2 – метафаза; 3 – анафаза; 4 – телофаза

Митоз – это процесс образования двух дочерних клеток, идентичных исходной материнской клетке.

Митоз состоит из четырех последовательных фаз, обеспечивающих равномерное распределение генетической информации и органелл между двумя дочерними клетками.

1. В профазе ядерная мембрана исчезает, хромосомы максимально спирализуются, становятся хорошо заметными. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам и образуют веретено деления.

2. В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной зоне, нити веретена деления соединены с центромерами хромосом.

3. Анафаза характеризуется расхождением сестринских хроматид-хромосом к полюсам клетки. У каждого полюса оказывается столько же хромосом, сколько их было в исходной клетке.

4. В телофазе происходит деление цитоплазмы и органоидов, в центре клетки образуется перегородка из клеточной мембраны и возникают две новые дочерние клетки.

Весь процесс деления длится от нескольких минут до 3 ч в зависимости от типа клеток и организма. Стадия деления клетки по времени в несколько раз короче ее интерфазы. Биологический смысл митоза заключается в обеспечении постоянства числа хромосом и наследственной информации, полной идентичности исходных и вновь возникающих клеток.

§ 49. Формы размножения организмов

В природе существует два типа размножения организмов: бесполое и половое.

Бесполое размножение – это образование нового организма из одной клетки или группы клеток исходного материнского организма. В этом случае в размножении участвует только одна родительская особь, которая передает свою наследственную информацию дочерним особям.

В основе бесполого размножения лежит митоз. Существует несколько форм бесполого размножения.

Простое деление, или деление надвое, характерно для одноклеточных организмов. Из одной клетки путем митоза образуются две дочерние клетки, каждая из которых становится новым организмом.

Почкование – это форма бесполого размножения, при которой от родительской особи отделяется дочерний организм. Такая форма характерна для дрожжей, гидры и некоторых других животных.

У споровых растений (водорослей, мхов, папоротников) размножение происходит с помощью спор, специальных клеток, образующихся в материнском организме. Каждая спора, прорастая, дает начало новому организму.

Вегетативное размножение – это размножение отдельными органами, частями органов или тела. Оно основано на способности организмов восстанавливать недостающие части тела – регенерации. Встречается у растений (размножение стеблями, листьями, побегами), у низших беспозвоночных животных (кишечнополостных, плоских и кольчатых червей).

Половое размножение – это образование нового организма при участии двух родительских особей. Новый организм несет наследственную информацию от обоих родителей.

При половом размножении происходит слияние половых клеток – гамет мужского и женского организма. Половые клетки формируются в результате особого типа деления. В этом случае, в отличие от клеток взрослого организма, которые несут диплоидный (двойной) набор хромосом, образующиеся гаметы имеют гаплоидный (одинарный) набор. В результате оплодотворения парный, диплоидный набор хромосом восстанавливается. Одна хромосома из пары является отцовской, а другая – материнской. Гаметы образуются в половых железах или в специализированных клетках в процессе мейоза.

Мейоз – это такое деление клетки, при котором хромосомный набор клетки уменьшается вдвое (рис. 56). Такое деление называется редукционным.

Рис. 56. Фазы мейоза: А – первое деление; Б – второе деление. 1, 2 – профаза I; 3 – метафаза I; 4 – анафаза I; 5 – телофаза I; 6 – профаза II; 7 – метафаза II; 8 – анафаза II; 9 – телофаза II

Для мейоза характерны те же стадии, что и для митоза, но процесс состоит из двух последовательных делений (мейоз I и мейоз II). В результате образуется не две, а четыре клетки. Биологический смысл мейоза заключается в обеспечении постоянства числа хромосом у вновь образующихся организмов при оплодотворении. Женская половая клетка – яйцеклетка, всегда крупная, содержит много питательных веществ, часто неподвижная.

Мужские половые клетки – сперматозоиды, мелкие, часто подвижные, имеют жгутики, их образуется значительно больше, чем яйцеклеток. У семенных растений мужские гаметы неподвижны и называются спермиями.

Оплодотворение – процесс слияния мужских и женских половых клеток, в результате которого образуется зигота.

Из зиготы развивается зародыш, который дает начало новому организму.

Оплодотворение бывает наружным и внутренним. Наружное оплодотворение характерно для обитателей вод. Половые клетки выходят во внешнюю среду и сливаются вне организма (рыбы, земноводные, водоросли). Внутреннее оплодотворение характерно для наземных организмов. Оплодотворение происходит в женских половых органах. Зародыш может развиваться как в теле материнского организма (млекопитающие), так и вне его – в яйце (птицы, пресмыкающиеся, насекомые).

Биологическое значение оплодотворения состоит в том, что при слиянии гамет восстанавливается диплоидный набор хромосом, а новый организм несет наследственную информацию и признаки двух родителей. Это увеличивает разнообразие признаков организмов, повышает их жизнестойкость.

Как известно, клеточное строение имеют почти все организмы на нашей планете. В основном все клетки имеют похожую структуру. Это наименьшая структурная и функциональная единица живого организма. Клетки могут иметь разные функции, а, следовательно, и вариации в их строении. Во многих случаях они могут выступать в роли самостоятельных организмов.

Клеточное строение имеют растения, животные, грибы, бактерии. Однако между их структурно-функциональными единицами есть некоторые различия. И в этой статье мы рассмотрим клеточное строение. 8 класс предусматривает изучение данной темы. Поэтому статья будет интересна школьникам, а также тем, кто просто интересуется биологией. В этом обзоре будет описано различных организмов, сходства и отличия между ними.

История теории клеточного строения

Люди не всегда знали, из чего состоят организмы. То, что все ткани формируются из клеток, стало известно сравнительно недавно. Наука, которая изучает это, - биология. Клеточное строение организма было впервые описано учеными Маттиасом Шлейденом и Теодором Шванном. Произошло это в 1838 году. Тогда строения состояла из таких положений:

животные и растения всех видов сформированы из клеток;

растут они с помощью образования новых клеток;

клетка - самая малая единица жизни;

организм - это совокупность клеток.

Современная теория включает в себя несколько иные положения, и их чуть больше:

клетка может произойти только от материнской клетки;

Состоит не из простой совокупности клеток, а из объединенных в ткани, органы и системы органов;

клетки всех организмов имеют подобное строение;

клетка - сложная система, состоящая из более мелких функциональных единиц;

клетка - наименьшая структурная единица, способная выступать в роли самостоятельного организма.

Строение клетки

Так как клеточное строение имеют почти все живые организмы, стоит рассмотреть общую характеристику структуры этого элемента. Во-первых, все клетки делятся на прокариотические и эукариотические. В последних присутствует ядро, которое защищает наследственную информацию, записанную на ДНК. В прокариотических же клетках оно отсутствует, и ДНК свободно плавает. Все построены по следующей схеме. В них есть оболочка - плазматическая мембрана, вокруг нее обычно расположены дополнительные защитные образования. Все, что находится под ней, кроме ядра, - это цитоплазма. Она состоит из гиалоплазмы, органоидов и включений. Гиалоплазма - это основное прозрачное вещество, которое служит внутренней средой клетки и заполняет все ее пространство. Органоиды - это постоянные структуры, которые выполняют определенные функции, т. е. обеспечивают жизнедеятельность клетки. Включения - это непостоянные образования, которые также играют ту или иную роль, но делают это временно.

Клеточное строение живых организмов

Сейчас мы перечислим органоиды, которые одинаковы для клеток любого живого существа на планете, кроме бактерий. Это митохондрии, рибосомы, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум, лизосомы, цитоскелет. Для бактерий характерны только одни из этих органоидов - рибосомы. А теперь рассмотрим строение и функции каждой органеллы по отдельности.

Митохондрии

Они обеспечивают внутриклеточное дыхание. Митохондрии играют роль своеобразной "электростанции", вырабатывая энергию, которая необходима для жизнедеятельности клетки, для прохождения в ней тех или иных химических реакций.

Они относятся к двумембранным органоидам, то есть имеют две защитные оболочки - внешнюю и внутреннюю. Под ними расположен матрикс - аналог гиалоплазмы в клетке. Между наружной и внутренней мембранами формируются кристы. Это складки, внутри которых находятся ферменты. Данные вещества нужны для того, чтобы была возможность осуществить химические реакции, благодаря которым высвобождается энергия, необходимая клетке.

Рибосомы

Они отвечают за белковый обмен, а именно - за синтез веществ данного класса. Рибосомы состоят из двух частей - субъединиц, большой и малой. Мембрана у данного органоида отсутствует. Субъединицы рибосом объединяются только непосредственно перед процессом синтеза белка, в остальное время они находятся раздельно. Вещества здесь производятся на основе информации, записанной на ДНК. Эта информация поставляется к рибосомам с помощью тРНК, так как транспортировать сюда ДНК каждый раз было бы очень непрактично и опасно - слишком высока была бы вероятность ее повреждения.

Аппарат Гольджи

Этот органоид состоит из стопок плоских цистерн. Функции данного органоида заключаются в том, что он накапливает и видоизменяет различные вещества, а также участвует в процессе формирования лизосом.

Эндоплазматический ретикулум

Он подразделяется на гладкий и шероховатый. Первый построен из плоских трубочек. Он отвечает за выработку в клетке стероидов и липидов. Шероховатый называется так потому, что на стенках мембран, из которых он состоит, находятся многочисленные рибосомы. Он выполняет транспортную функцию. А именно переносит из рибосом белки, синтезированные там, к аппарату Гольджи.

Лизосомы

Они представляют собой в которых содержатся ферменты, необходимые для осуществления химических реакций, которые происходят в процессе внутриклеточного обмена веществ. Наибольшее количество лизосом наблюдается в лейкоцитах — клетках, выполняющих иммунную функцию. Объясняется это тем, что они осуществляют фагоцитоз и вынуждены переваривать инородный белок, для чего нужен большой объем ферментов.

Цитоскелет

Это последний органоид, который является общим для грибов, животных и растений. Одна из его главных функций заключается в поддержании формы клетки. Он сформирован из микротрубочек и микрофиламентов. Первые представляют собой полые трубки из белка тубулина. Благодаря их присутствию в цитоплазме некоторые органоиды могут перемещаться по клетке. Кроме того, из микротрубочек также могут состоять реснички и жгутики у одноклеточных. Вторая составляющая цитоскелета — микрофиламенты — состоит из сократительных белков актина и миозина. У бактерий данный органоид обычно отсутствует. Но некоторые из них характеризуются наличием цитоскелета, однако более примитивного, устроенного не так сложно, как у грибов, растений и животных.

Органоиды растительных клеток

Клеточное строение растений имеет некоторые особенности. Кроме перечисленных выше органелл, также присутствуют вакуоли и пластиды. Первые предназначены для накопления в ней веществ, в том числе и ненужных, так как вывести их из клетки ввиду наличия плотной стенки вокруг мембраны зачастую невозможно. Жидкость, которая находится внутри вакуоли, называется клеточным соком. В молодой первоначально есть несколько маленьких вакуолей, которые по мере ее старения сливаются в одну большую. Пластиды делятся на три вида: хромопласты, лейкопласты и хромопласты. Первые характеризуются наличием в них красного, желтого или оранжевого пигмента. Хромопласты в большинстве случаев нужны для привлечения ярким цветом насекомых-опылителей либо животных, которые участвуют в распространении плодов вместе с семенами. Именно благодаря данным органоидам цветы и плоды имеют разнообразную окраску. Хромопласты могут формироваться из хлоропластов, что можно наблюдать осенью, когда листья приобретают желто-красные оттенки, а также при созревании плодов, когда постепенно полностью исчезает зеленый цвет. Следующий вид пластид — лейкопласты — предназначены для запасания таких веществ, как крахмал, некоторые жиры и белки. Хлоропласты осуществляют процесс фотосинтеза, благодаря которому растения получают для себя необходимые органические вещества.

Из шести молекул углекислого газа и стольких же воды клетка может получить одну молекулу глюкозы и шесть кислорода, который выделяется в атмосферу. Хлоропласты являются двумембранными органоидами. В их матриксе содержатся тилакоиды, сгруппированные в граны. В этих структурах и содержится хлорофилл, здесь и проходит реакция фотосинтеза. Кроме того, в матриксе хлоропластов также находятся свои рибосомы, РНК, ДНК, специальные ферменты, зерна крахмала и липидные капли. Матрикс данных органоидов еще называется стромой.

Особенности грибов

Клеточное строение имеют также и эти организмы. В древности их объединяли в одно царство с растениями чисто по внешнему признаку, однако с появлением более развитой науки выяснилось, что делать этого никак нельзя.

Во-первых, грибы, в отличие от растений, не являются автотрофами, они не способны сами вырабатывать органические вещества, а только питаются уже готовыми. Во-вторых, клетка гриба более схожа с животной, хотя и имеет некоторые черты растительной. Клетка гриба, так же, как и растения, окружена плотной стенкой, однако состоит она не из целлюлозы, а из хитина. Данное вещество трудно усваивается организмом животных, поэтому грибы и считаются тяжелой пищей. Кроме органоидов, описанных выше, которые характерны для всех эукариотов, здесь также находится вакуоль — вот еще одно сходство грибов с растениями. Но пластид в структуре грибной клетки не наблюдается. Между стенкой и цитоплазматической мембраной находится ломасома, функции которой до сих пор до конца не изучены. В остальном строение грибной клетки напоминает животную. Кроме органоидов, в цитоплазме также плавают такие включения, как жировые капли, гликоген.

Клетки животных

Для них характерны все органоиды, которые были описаны в начале статьи. Кроме того, поверх плазматической мембраны расположен гликокаликс — оболочка, состоящая из липидов, полисахаридов и гликопротеинов. Он участвует в транспорте веществ между клетками.

Ядро

Конечно, кроме общих органоидов, у животных, растительных, грибных клеток имеется ядро. Оно защищено двумя оболочками, в которых есть поры. Матрикс состоит из кариоплазмы (ядерного сока), в котором плавают хромосомы с записанной на них наследственной информацией. Также есть ядрышки, которые отвечают за формирование рибосом и синтез РНК.

Прокариоты

К ним относятся бактерии. Клеточное строение бактерий более примитивно. У них нет ядра. В цитоплазме содержатся такие органоиды, как рибосомы. Вокруг плазматической мембраны расположена клеточная стенка из муреина. Большинство прокариотов снабжено органоидами движения - в основном жгутиками. Вокруг клеточной стенки также может быть расположена дополнительная защитная оболочка - слизистая капсула. Кроме основных молекул ДНК, в цитоплазме бактерий находятся плазмиды, на которых записана информация, отвечающая за повышение устойчивости организма к неблагоприятным условиям.

Все ли организмы построены из клеток?

Некоторые считают, что клеточное строение имеют все живые организмы. Но это неверно. Существует такое царство живых организмов, как вирусы.

Они состоят не из клеток. Данный организм представлен капсидом - белковой оболочкой. Внутри нее находится ДНК либо РНК, на которых записано небольшое количество генетической информации. Вокруг белковой оболочки также может быть расположена липопротеиновая, которая называется суперкапсидом. Вирусы могут размножаться только внутри чужих клеток. Кроме того, они способны к кристаллизации. Как видите, утверждение о том, что клеточное строение имеют все живые организмы, неправильное.

Сравнительная таблица

После того как мы рассмотрели структуру различных организмов, подведем итог. Итак, клеточное строение, таблица:

	Животные	Растения	Грибы	Бактерии
Ядро	Есть	Есть	Есть	Нету
Клеточная стенка	Нету	Есть, из целлюлозы	Есть, из хитина	Есть, из муреина
Рибосомы	Есть	Есть	Есть	Есть
Лизосомы	Есть	Есть	Есть	Нету
Митохондрии	Есть	Есть	Есть	Нету
Аппарат Гольджи	Есть	Есть	Есть	Нету
Цитоскелет	Есть	Есть	Есть	Есть
Эндоплазматический ретикулум	Есть	Есть	Есть	Нету
Цитоплазматическая мембрана	Есть	Есть	Есть	Есть
Дополнительные оболочки	Гликокаликс	Нет	Нет	Слизистая капсула

Вот, пожалуй, и все. Мы рассмотрели клеточное строение всех организмов, которые существуют на планете.

Клетки делятся на прокариотические и эукариотические. Первые - это водоросли и бактерии, которые содержат генетическую информацию в одной единственной органелле, - хромосоме, а эукариотические клетки, составляющие более сложные организмы, такие как человеческое тело, имеют четко дифференцированное ядро, в котором находится несколько хромосом с генетическим материалом.

Эукариотическая клетка

Прокариотическая клетка

Строение

Клеточная или цитоплазматическая мембрана

Цитоплазматическая мембрана (оболочка) - это тонкая структура, которая отделяет содержимое клетки от окружающей среды. Она состоит из двойного слоя липидов с белковыми молекулами толщиной примерно 75 ангстрем.

Клеточная мембрана сплошная, но у нее имеются многочисленные складки, извилины, и поры, что позволяет регулировать прохождение через нее веществ.

Клетки, ткани, органы, системы и аппараты

Клетки , Человеческий организм - слагаемое элементов, которые слаженно действуют, чтобы эффективно выполнять все жизненные функции.

Ткань - это клетки одинаковой формы и строения, специализированные на выполнении одной и той же функции. Различные ткани объединяются и образуют органы, каждый из которых выполняет конкретную функцию в живом организме. Кроме того, органы также группируются в систему для выполнения определенной функции.

Ткани:

Эпителиальная - защищает и покрывает поверхность тела и внутренние поверхности органов.

Соединительная - жировая, хрящевая и костная. Выполняет различные функции.

Мышечная - гладкая мышечная ткань, поперечнополосатая мышечная ткань. Сокращает и расслабляет мышцы.

Нервная - нейроны. Вырабатывает и передает и принимает импульсы.

Размер клеток

Величина клеток очень разная, хотя в основном она колеблется от 5 до 6 микронов (1 микрон = 0,001 мм). Этим объясняется тот факт, что многие клетки не могли рассмотреть до изобретения электронного микроскопа, разрешающая способность которого составляет от 2 до 2000 ангстрем (1 ангстрем = 0,000 000 1 мм).Размер некоторых микроорганизмов меньше 5 микрон, но есть и клетки-гиганты. Из наиболее известных - это желток птичьих яиц, яйцеклетка размером около 20 мм.

Есть еще более поразительные примеры: клетка ацетабулярии, морской одноклеточной водоросли, достигает 100 мм, а рами, травянистого растения, - 220 мм - больше ладони.

От родителей к детям благодаря хромосомам

Ядро клетки претерпевает различные изменения, когда клетка начинает делиться: исчезают оболочка и ядрышки; в это время хроматин становится более плотным, образуя в итоге толстые нити - хромосомы. Хромосома состоит из двух половин - хроматид, соединенных в месте сужения (центрометр).

Наши клетки, так же как и все клетки животных и растений, подчиняются так называемому закону численного постоянства, согласно которому число хромосом определенного вида постоянно.

Кроме того, хромосомы распределяются парами, идентичными между собой.

В каждой клетке нашего тела имеется 23 пары хромосом, представляющих собой несколько удлиненных молекул ДНК. Молекула ДНК принимает форму двойной спирали, состоящей из двух групп сахарофосфата, откуда в виде ступенек винтовой лестницы выступают азотистые основы (пурины и пирамидины).

Вдоль каждой хромосомы располагаются гены, ответственные за наследственность, передачу генных признаков от родителей к детям. Именно они определяют цвет глаз, кожи, форму носа и т. д.

Митохондрии

Митохондрии - это органеллы округлой или удлиненной формы, распределенные по всей цитоплазме, содержащие водянистый раствор ферментов, способные осуществлять многочисленные химические реакции, например клеточное дыхание.

С помощью этого процесса высвобождается энергия, которая необходима клетке для выполнения ее жизненных функций. Митохондрии находятся в основном в наиболее активных клетках живых организмов: клетках поджелудочной железы и печени.

Ядро клетки

Ядро, одно в каждой человеческой клетке, является ее основным компонентом, так как это организм, управляющий функциями клетки, и носитель наследственных признаков, что доказывает его важность в размножении и передаче биологической наследственности.

В ядре, размер которого колеблется от 5 до 30 микрон, можно различить следующие элементы:

• Ядерная оболочка. Она двойная и позволяет веществам проходить между ядром и цитоплазмой благодаря своей пористой структуре.
• Ядерная плазма. Светлая, вязкая жидкость, в которую погружены остальные ядерные структуры.
• Ядрышко. Сферическое тельце, изолированное или в группах, участвующее в образовании рибосом.
• Хроматин. Вещество, которое может принимать различную окраску, состоящее из длинных нитей ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Нити представляют собой частицы, гены, каждый из которых содержит информацию об определенной функции клетки.

Ядро типичной клетки

Клетки кожи живут в среднем одну неделю. Эритроциты живут 4 месяца, а костные клетки - от 10 до 30 лет.

Центросома

Центросома обычно находится рядом с ядром и играет важнейшую роль в митозе, или клеточном делении.

Она состоит из 3 элементов:

• Диплосома. Состоит из двух центриол - цилиндрических структур, расположенных перпендикулярно.
• Центросфера. Полупрозрачное вещество, в которое погружена диплосома.
• Астер. Лучистое образование из нитей, выходящих из центросферы, имеющее важное значение для митоза.

Комплекс Гольджи, лизосомы

Комплекс Гольджи состоит из 5-10 плоских дисков (пластин), в котором различают основной элемент - цистерну и несколько диктиосом, или скопление цистерн. Эти диктиосомы разъединяются и распределяются равномерно во время митоза, или деления клетки.

Лизосомы, «желудок» клетки, образуются из пузырьков комплекса Гольджи: они содержат пищеварительные ферменты, которые позволяют им переваривать пишу, поступающую в цитоплазму. Их внутренняя часть, или микус, выстлана толстым слоем полисахаридов, которые препятствуют тому, чтобы эти ферменты разрушили собственный клеточный материал.

Рибосомы

Рибосомы - это клеточные органеллы диаметром около 150 ангстрем, которые прикреплены к оболочкам эндоплазматического ретикулума или свободно размещаются в цитоплазме.

Они состоят из двух подъединиц:

• большая подъединица состоит из 45 молекул белка и 3 РНК (рибонуклеиновой кислоты);
• меньшая подъединица состоит из 33 молекул белка и 1 РНК.

Рибосомы объединяются в полисомы с помощью молекулы РНК и синтезируют белки из молекул аминокислот.

Цитоплазма

Цитоплазма - это органическая масса, расположенная между цитоплазматической мембраной и оболочкой ядра. Содержит внутреннюю среду - гиалоплазму - вязкую жидкость, состоящую из большого количества воды и содержащую белки, моносахариды и жиры в растворенном виде.

Она является частью клетки, наделенной жизненной активностью, потому что внутри нее двигаются различные клеточные органеллы и происходят биохимические реакции. Органеллы выполняют в клетке ту же роль, что и органы в человеческом теле: производят жизненно важные вещества, генерируют энергию, выполняют функции пищеварения и выведения органических веществ и т. д.

Примерно треть цитоплазмы составляет вода.

Кроме того, в цитоплазме содержится 30% органических веществ (углеводов, жиров, белков) и 2-3% неорганических веществ.

Эндоплазматический ретикулум

Эндоплазматический ретикулум - это структура в виде сети, образованная заворачиванием цитоплазматической оболочки в саму себя.

Считается, что этот процесс, известный как инвагинация, привел к появлению более сложных существ с большими потребностями в белках.

В зависимости от наличия или отсутствия рибосом в оболочках различают два типа сетей:

1. Эндоплазматический ретикулум складчатый. Совокупность плоских структур, соединенных между собой и сообщающихся с ядерной мембраной. К ней прикреплено большое количество рибосом, поэтому ее функция заключается в накоплении и выделении белков, синтезированных в рибосомах.

2. Эндоплазматический ретикулум гладкий. Сеть из плоских и трубчатых элементов, которая сообщается со складчатым эндоплазматическим ретикулумом. Синтезирует, выделяет и переносит жиры по всей клетке, вместе с белками складчатого ретикулума.

Хотите читать всё самое интересное о красоте и здоровье, подпишитесь на рассылку !