Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов

ОГЛАВЛЕНИЕ

7.6. Строение и разновидности клеток

Все живое состоит из клеток. Клетка представляет собой элементарную живую систему – основу строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов. Размеры клеток варьируются в пределах от 0,1–0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе).
Клетка способна питаться, расти и размножаться, вследствие чего ее можно считать живым организмом. Это своеобразный атом живых систем. Составляющие ее части лишены жизненных способностей. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться. Такая способность клеток широко используется в исследовательских и прикладных целях.
Термин «клетка» впервые предложил 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635–1703) для описания ячеистой структуры наблюдаемого под микроскопом среза пробки. Утверждение о том, что все ткани животных и растений состоят из клеток, составляет сущность клеточной теории. В экспериментальном обосновании клеточной теории важную роль сыграли труды  немецких ученых-ботаников Маттиаса Шлейдена (1804–1881) и Теодора Шванна (1810–1882).
Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки состоят из трех основных частей – плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации (см. рис. 7.7). Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры диаметром около 0,15 мкм, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой – клеточной стенкой. Кроме того, они содержат пластиды – цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.

Окружающая клетку мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Главная функция клетки – обеспечить передвижение вполне определенных веществ в прямом и обратном направлениях к ней. В частности, мембрана поддерживает нормальную концентрацию некоторых солей внутри клетки и играет важную роль в ее жизни: при повреждении мембраны клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структурных компонентов жизнь клетки может продолжаться в течение некоторого времени. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости ее наружной мембраны.
Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма, содержащая водный соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами, (как в мышечных тканях) и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы – маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца – рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК), с помощью которых осуществляется синтез белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, хотя 65–85% массы клетки составляет вода.
Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро, а в нем –хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка.
Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние. При делении дочерней клетки передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Поэтому перед делением число хромосом в клетке удваивается и при делении каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.
Не все клетки многоклеточного животного или растения одинаковы. Видоизменение клеток происходит постепенно в процессе развития организма. Каждый организм развивается из одной клетки – яйца, которое начинает делиться, и в конечном итоге образуется множество отличающихся друг от друга клеток – мышечные, кровяные и др. Различия клеток определяются прежде всего набором белков, синтезируемых данной клеткой. Так, клетки желудка синтезируют пищеварительный фермент пепсин; в других клетках, например клетках мозга, он не образуется. Во всех клетках растений или животных имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного вида организмов, но в клетке каждого типа синтезируются лишь те белки, которые ей нужны.
В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы – прокариот и эукариот. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам – все остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными. Тело человека, например, состоит из 1015 клеток.
Прокариоты все одноклеточные. В них нет четко очерченного ядра: молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. Их деление происходит без митоза. Размеры их относительно небольшие. В то же время наследование признаков в них основано на передаче ДНК дочерним клеткам. Предполагается, что первыми организмами, появившимися около 3,5 млрд лет назад, были прокариоты.
Клетки эукариот, в отличие от клеток прокариот, содержат митохондрии – специализированные органеллы, в которых идут процессы окисления. В клетках растений, помимо митохондрий, содержатся хлоропласты, способные производить фотосинтез, в результате которого из углекислого газа и воды образуется сахар. Хлоропласты и митохондрии очень похожи на некоторых бактерий, способных к фотосинтезу. В 1910 г. российский биолог К.С. Мережковский (1855–1921) высказал предположение, что хлоропласты и митохондрии происходят от свободноживущих бактерий. Такие бактерии проникли в прокариотную клетку. Вначале они были внутриклеточными паразитами. Затем, эволюционируя, стали приносить пользу клетке-хозяину и потом постепенно превратились в хлоропласты и митохондрии. Таким образом примерно 1400 млн лет назад возникли клетки эукариот.
Если одноклеточный организм, например бактерия, не гибнет от внешнего воздействия, то он остается бессмертным, т. е. не умирает, а делится на две новые клетки. Многоклеточные организмы живут лишь определенное время. Они содержат два типа клеток: соматические – клетки тела и половые клетки. Половые клетки, так же как и бактерии, бессмертны. После оплодотворения образуются соматические клетки, которые смертны, и новые половые.
Растения содержат особую ткань – меристему, клетки которых могут образовывать другие типы клеток растений. В этом отношении клетки меристемы похожи на половые и в принципе тоже бессмертны. Они обновляют ткани растений, поэтому некоторые виды растений могут жить тысячи лет. У примитивных животных (губки, актинии) есть подобная ткань, и они могут жить неограниченно долго.
Соматические клетки высших животных делятся на два вида. Одни из них включают клетки, живущие недолго, но постоянно возобновляющиеся за счет своего рода ткани меристемы. К ним относятся, например, клетки эпидермиса. Другой вид составляют клетки, которые во взрослом организме не делятся, и поэтому не возобновляются. Это прежде всего нервные и мышечные клетки. Они подвержены старению и гибели.
Принято считать, что главная причина старения организма – утеря генетической информации. Молекулы ДНК постепенно повреждаются мутациями, что приводит к гибели клеток и всего организма. Поврежденные участки молекулы ДНК способны восстанавливаться благодаря репаративным ферментам. Хотя их возможности ограничены, но они играют важную роль в продлении жизни организма.

7.7. Современное представление о происхождении жизни

Вопрос о происхождении жизни – один из самых трудных в современном естествознании. В первую очередь потому, что мы сегодня не можем воспроизвести процессы возникновения жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь моделью, приближением, безусловно лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на земле. И тем не менее наука успешно решает вопрос о происхождении живого, проводит многочисленные исследования, постоянно расширяет наши представления о зарождении жизни. Это вполне понятно: проблема жизни лежит в фундаменте всех биологических наук и в значительной мере – всего естествознания.
Существенный вклад в решение вопроса о происхождении жизни внесли академик АН СССР биохимик А.И. Опарин (1894–1980), английские естествоиспытатели Дж. Бернал (1901–1971) и Б.С. Холдейн (1892–1964) и многие другие ученые.
История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в процессах развития нашей планеты закладывались условия будущего существования жизни – диапазоны температур, влажности, давления, уровня радиации и т. п. Например, диапазон температур, в котором существует известная нам активная жизнь, составляет довольно узкую полосу (см. рис. 7.8).

Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы, как уже отмечалось, заключается в том, что наша Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, располагавшейся в окрестностях Солнца. Скорее всего, частицы пыли состояли из железа с примесью никеля либо из силикатов (веществ, в состав которых входит широко распространенный на Земле кремний), например силикатов магния, и каждая частица была окружена льдом. Конечно, кроме пыли везде присутствовал газ. И газ, и частицы пыли пронизывались солнечной радиацией. При этом весьма вероятно, что на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться, образуя различные летучие органические соединения, в которых присутствует основной элемент всех живых организмов – углерод. Постепенно Солнце разогревало их, газы снова испарялись, но некоторая их часть под действием излучений превращалась в менее летучие углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота.
Возможно, что именно пылевые частицы, окруженные оболочками из органических соединений, объединяясь, образовали сначала астероиды, а затем планеты. Известно, например, что гиганты  Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран – состоят в основном из метана, водорода, аммиака и льда – веществ, служащих основой всех сложнейших органических соединений.
В то же время общая поверхность пылинок была очень велика. А это значит, что на ней могли образоваться различные соединения углерода и азота – прямых предшественников жизни.
Данное предположение доказывается тем, что ряд органических соединений найден в метеоритах, например аденин – биологически очень важное азотистое основание. Он был искусственно получен в лаборатории при условиях, которые имитировали первичную атмосферу Земли. А, скажем, органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ живых организмов, – щавелевую, муравьиную и янтарную кислоты удалось искусственно получить при облучении водных растворов углекислоты.
Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, очевидно, метан, аммиак, водяной пар и водород. Воздействуя в лаборатории на смесь этих газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получили сложные органические вещества, входящие в состав живых белков, – глицин, аланин и др.
Таким образом, сейчас не приходится сомневаться в том, что под воздействием электрических разрядов, световой и ультрафиолетовой радиации еще до образования Земли или на самой первой стадии ее существования из неорганических соединений мог возникнуть ряд довольно сложных органических веществ. Образовавшиеся органические вещества – это первый шаг на пути к жизни.
Какие же элементы являются основными слагаемыми живого, его «кирпичиками»? Это в первую очередь кислород, углерод, водород и азот. Их принято называть органогенами. В живой клетке, например, по массе содержится около 70% кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота, затем идут фосфор, калий, хлор, сера, кальций, натрий, магний, железо. Их количество в клетке не превышает десятых долей процента. Далее следуют медь, цинк, йод, фтор и другие элементы, присутствующие в тысячных и десятитысячных долях процента.
Особая роль в живых организмах принадлежит углероду. Говорят, что жизнь на нашей планете «углеродная», потому что в основе всех органических соединений и веществ организмов лежит углерод.
Углеродные соединения обладают рядом свойств, делающих их незаменимыми при образовании живых систем. Прежде всего, число органических соединений на основе углерода огромно – десятки миллионов. Они активны при сравнительно невысокой температуре. Атомы углерода в молекулах могут образовывать длинные цепи различной формы. При относительно небольшой перестройке молекул углеродных соединений существенно меняется их химическая активность, которая возрастает при наличии катализаторов.
Все элементы живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным по Вселенной веществам. Они легко соединяются между собой и обладают малой атомной массой. Соединения, образованные такими элементами, должны легко растворяться в воде. Таким свойством обладают, например, соединения калия и натрия и др.
Наша планета богата водой. Она расположена на таком расстоянии от Солнца, что необходимая для жизни основная масса воды находится в жидком, а не в твердом или газообразном состоянии, как на других планетах. На Земле поддерживается оптимальный интервал температур, необходимый для зарождения и существования жизни.
Является ли Земля тем единственным космическим телом, на котором возможна жизнь? По-видимому, нет. Ведь только в нашей Галактике примерно 150 млрд звезд. Вполне вероятно, что в ней существуют космические тела, на которых возможна жизнь.
Первый шаг на пути к возникновению жизни заключается в образовании органических веществ из неорганического космического сырья. Такой процесс протекал при определенных температуре, давлении, влажности, радиации и т. д. На первый стадии данного процесса, вероятно, начал действовать предварительный отбор тех соединений, из которых позднее появились организмы. Из множества образовавшихся веществ сохранились лишь наиболее устойчивые и способные к дальнейшему усложнению.
Для построения любого сложного органического соединения живых организмов нужен небольшой набор слагающих блоков – мономеров (низкомолекулярных соединений). Например, имея всего 29 сравнительно несложных мономеров, можно описать биохимическое строение любого живого организма. В число их входят 20 аминокислот, из которых построены все белки, 5 азотистых оснований (из них в комбинации с другими веществами образуются носители наследственности – нуклеиновые кислоты), а также глюкоза – важнейший источник энергии, необходимый для жизнедеятельности, жиры (структурный материал, идущий на построение в клетке мембран и запасающий энергию).
Такое сравнительно небольшое число соединений – результат действия в течение почти миллиарда лет естественного отбора, выделившего их из огромного количества некогда возникших веществ и определившего их пригодность для возникновения живого. Можно сказать, что эволюции организмов предшествовала очень длительная химическая эволюция.
Соединения, возникшие на основе углерода, образовали «первичный бульон» гидросферы. Существует научная гипотеза, согласно которой содержащие углерод и азот вещества возникали в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности. Размываясь водой, они могли попасть в океан, где участвовали в образовании «первичного бульона».
Второй важнейший шаг в образовании живых организмов заключался в том, что из множества отдельных молекул органических веществ, существовавших в первичном океане Земли, возникли упорядоченные сложные вещества – биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты. Они уже обладали важнейшим биологическим свойством – воспроизводить аналогичные себе молекулы.
Каким же образом осуществлялось формирование биополимеров? В рассматриваемый период все органические соединения находились в первичном океане Земли. Для того чтобы между соединениями могли произойти реакции, ведущие к образованию сложных биологически важных молекул, концентрация органических соединений должна была быть сравнительно высокой. Такая концентрация веществ могла образоваться в результате осаждения соединений на различных минеральных частицах, например, на частичках глины или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого солнцем мелководья. Органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где они собирались в толстые слои с высокой концентрацией органических веществ.
Свободный кислород появился значительно позже в результате деятельности первых фотосинтетиков – водорослей, а затем и наземных растений. Бескислородная среда облегчала, по-видимому, синтез биополимеров из неорганических соединений – кислород как сильный окислитель разрушил бы возникающие молекулы.
Отдельные несложные органические соединения стали объединяться в крупные биологические молекулы. Образовались ферменты – белковые катализаторы, способствующие возникновению или распаду молекул. В результате деятельности первичных ферментов возникли одни из важнейших органических соединений – нуклеиновые кислоты. Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены так, что несут определенную информацию о синтезе белков и обмене с внешней средой веществом и энергией. Кроме того, молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойство самовоспроизведения себе подобных. Можно считать, что с этого момента на Земле возникла жизнь.
Жизнь – это особая форма существования материи. Характерные особенности жизни – обмен с внешней средой, воспроизведение себе подобных, постоянное развитие.
К концу биохимической стадии возникновения жизни появились структурные образования – мембраны, которые сыграли важную роль в построении клеток. Как уже отмечалось, первые организмы на Земле были одноклеточные прокариоты. Проходили сотни миллионов, даже миллиарды лет, в течение которых из прокариотов образовывались эукариоты, в их клетке сформировались ядро с веществом, содержащим код синтеза белка, ядрышко, находящееся в ядре, и другие структурные элементы (рис. 7.9).

С появлением эукариотов наметился выбор растительного или животного образа жизни, различие между которыми заключается в способе питания и связано с возникновением важнейшего для всего живого процесса – фотосинтеза. В результате фотосинтеза ежегодно на Земле образуется около 200 млрд т органического вещества, 90% которого вырабатывают водоросли и только 10%– наземные растения.
Возникновение фотосинтеза сопровождалось поступлением в атмосферу кислорода. Подсчитано, что благодаря фотосинтезу вся углекислота планеты – и в атмосфере и растворенная в воде – обновляется примерно за 300 лет, а весь кислород – за 2 тыс. лет. Предполагается, что теперешнее содержание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто 250 млн лет назад в результате интенсивного развития растений.
Первые многоклеточные организмы возникли путем объединения одноклеточных организмов и прошли долгий путь эволюции. Так жизнь развивалась и совершенствовалась, о чем свидетельствует палеонтологическая летопись, окаменевшие страницы которой постепенно прочитываются учеными.
.

Комментарии (3)
Обратно в раздел Наука