Появление и развитие клеточной теории.

Очень важное открытие в 30-х годах XIX в. сделал шотландский ученый Робёрт Броун наблюдая в микроскоп строение листа растения, он обнаружил внутри клетки круглое плотное образование, которое назвал ядром. ')то было замечательное открытие, поскольку оно создало основу для сопоставления всех клеток.

В 1.838 г. немецкий ученый М. Шлейден первым пришел к заключению о том, что ядро является обязательным структурным элементом всех растительных клеток. Познакомившись с этим исследованием, Т. Щванн, соотечественник Шлеидена, был удивлен: точно такие же образования он обнаружил и в животных клетках, изучением которых занимался. Сопоставление большого числа растительных и животных клеток привело его к неожиданному выводу: нее клетки, несмотря на их огромное разнообразие, сходны — у них ость ядра.

Обобщив разрозненные факты, Т. Шванн и М. Шлейден сформулировали основное положение клеточной теории: все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по строению. Немецкий биолог Рудольф Вирхов спустя 20 лет внес очень важное дополнение в клеточную теорию. Он доказал, что количество клеток в организме увеличивается в результате клеточного деления, т. е. клетка происходит только от клетки.

По определению Ф. Энгельса, клеточная теория явилась одним из великих открытий XIX в.

Клеточная теория лежит в основе представлений о единстве всего живого, общности его происхождения и эволюционного развития. Основные успехи науки о клетке (как, впрочем, и любой науки о природе) связаны с усовершенствованием инструментов и развитием методов исследования.

Благодаря дальнейшему усовершенствованию светового микроскопа и методов окраски клеток открытия следовали одно за другим. За сравнительно короткое время были выделены и описаны не только ядро и цитоплазма клеток, но и многие заключенные в ней части — органоиды.

В настоящее время клетку изучают, применяя физические и химические методы исследования и новейшие приборы. Это и электронные микроскопы, дающие увеличение до 1 000 000 раз, и применение специальных красителей, позволяющих избирательно выявить клеточные структуры и др. Для того чтобы изучить химический состав клетки или ее частей, применяют метод центрифугирования. Он основан на том, что разные клеточные органоиды имеют неодинаковую плотность. При очень быстром вращении в ультрацентрифуге различные органоиды предварительно измельченных клеток располагаются слоями: более плотные осаждаются быстрее и оказываются внизу, сверху — наименее плотные. Слои разделяют и изучают отдельно.

С приходом в науку о клетке физических и химических методов исследования началось успешное проникновение в тайны тончайшей организации клетки. Было выявлено удивительное единство в строении клеток разных организмов, доказана неразрывная связь между ее структурой и функцией. Благодаря этому основные положения клеточной теории, сформулированные более ста лет назад, были развиты и углублены.

 

Основные положения клеточной теории на современном этапе развития биологии формулируются так:

1. Клетка является основной структурной и функциональной единицей жизни. Все организмы состоят из клеток, жизнь организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток.

2. Клетки всех организмов сходны по своему химическому составу, строению и функциям.

3. Все новые клетки образуются при делении исходных клеток. Остановимся кратко на положениях клеточной теории. Всем

клеткам характерна способность к росту, размножению, дыханию, выделению, использованию и превращению энергии, они реагируют на раздражение. Таким образом, клетки обладают всей совокупностью свойств, необходимых для поддержания жизни. Отдельные их части не могут выполнять весь комплекс жизненных функций только совокупность структур, образующих клетку, проявляет

принижи жизни. Поэтому только клетка является основной

структурной и функциональной единицей живых организмов.

 

Клетки всех организмов имеют сходный химический состав. Клетки животных, и растений, грибов, в том числе и одноклеточных, имеют сходное строение. Все они имеют ядро и цитоплазму. В цитоплазме под световым микроскопом хорошо видны некоторые клеточные органоиды вакуоли, хлоропласты, митохондрии — и различного рода включении.

 

Строение большинства клеточных органоидов во всех клетках также очень сходно. И в то же время форма и размер клеток даже в пределах одного организма очень разнообразны, что зависит от специализации клетки и выполняемой ею функции. Они могут быть в виде многогранников, а также иметь дисковидную, шаровидную кубическую формы,

например, клетки покровных тканей плоские и плотно прилежат друг к другу, нервные клетки вытянуты в длинные нити и т. д.

 

2.Цитоплазма и плазматическая мембрана, строение и функции.

Цитоплазма — обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром. Цитоплазма включает различимо органоиды. Пространство между ними заполнено водным раствором различных солей и органических веществ, среди которых преобладают белки. В состав цитоплазмы входят следующие органоиды (рабочие части клетки): эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, пластиды, аппарат Гольджи, лизосомы, органоиды движения и др. Большинство химических и физиологических процессов клетки проходит в цитоплазме. Вновь синтезированные белки и другие вещества перемещаются внутри клетки или выводятся из нее.

Плазматическая мембрана. Каждая клетка животных, растений, грибов отграничена от окружающей среды или других клеток плазматической мембраной. Толщина этой мембраны так мала (около 10 нм), что ее можно увидеть только в электронный микроскоп.

Наружная плазматическая мембрана осуществляет ряд функций, необходимых для жизнедеятельности клетки: сохраняет ее форму, защищает цитоплазму от физических и химических повреждений, делает возможным контакт и взаимодействие клеток в тканях и органах, избирательно обеспечивает транспорт в клетку пищевых веществ и выведение конечных продуктов обмена. Столь сложным функциям соответствует и строение плазматической мембраны.

Плазматическая мембрана с остоит из липидов и бел ков. Липиды в мембране образуют двойной слой, а белки пронизывают всю ее толщу или располагаются на внешней или внутренней поверхности мембраны.

 

К некоторым белкам, находящимся на наружной поверхности, прикреплены углеводы. Белки и углеводы на поверхности мембрану разных клеток неодинаковы и являются своеобразными указателями типа клеток. С помощью этих указателей, например, сперматозоиды узнают яйцеклетку. Благодаря этому клетки, принадлежащие к одному типу, удерживаются вме­сте, образуя ткани. Кроме того, белковые молекулы обеспечивают избирательный транспорт сахаров, аминокислот, нуклеотидов и других веществ в клетку или из клетки.

Строение мембран всех других органоидов сходно с плазматической мембраной. Различаются они составом, соотношением липидов и белков, их расположением в структуре мембран.

Для переноса воды и различных ионов в клеточной мембране существуют поры.

Активный перенос веществ в клетку с помощью специальных молекул, входящих в состав плазматической мембраны, осуществляется на основе процессов фагоцитоза и пиноцитоза.

Захват плазматической мембраной твердых частиц и впячивание (втягивание) их внутрь клетки называют фагоцитозом (от греч. «фагос»— пожирать и «цитос» — клетка). Это явление можно наблюдать, например, при захвате амебой более мелких одноклеточных или при захвате бактерий, проникших в организм животного или человека, лейкоцитами крови. Сходным образом попадают в клетку растворимые в жидкости мелкие частицы или молекулы.

Плазматическая мембрана образует впячивание в виде тонкого канальца, в который и попадает жидкость с растворенными в ней веществами. От канальца затем отпочковываются пузырьки. Этот способ.называют фагоцитозом (от греч. «пинос» — пью и «цито-с» — клетка), он наиболее универсальный, поскольку присущ клеткам растений, животных и грибов.

 

3. Органоиды цитоплазмы.

 

Лизосомы. Попадая в цитоплазму, пиноцитозные и фагоцитозные пузырьки передвигаются в ней и сливаются с лизосомами (от греч. «лизео» — растворяю и «сома» — тело). Это органоиды клетки овальной формы, окруженные мембраной. В них находится набор ферментов, которые разрушают белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды. Ферменты щизосом расщепляют принесенные пиноцитозными или фагоцитозньщи пузырьками вещества.

Мембрана лизосом очень прочная и препятствует проникновению собственных ферментов в цитоплазму клетки, но если лизосома повреждается от каких-либо внеших воздействий, то разрушается вся клетка или часть ее. Лизосомы встречаются во всех клетках расений, животных и грибов.

Осуществляя переваривание различных органических частиц, лизосомы обеспечивают дополнительным «сырьем» химические и энергетические процессы в клетке. При голодании клетки лизосомы переваривают некоторые органоиды, не убивая клетку. Такое частичное переваривание обеспечивает клетке на какое-то время необходимый минимум питательных веществ. Иногда лизосомы переваривают целые клетки и группы клеток, что играет существенную роль в процессах развития у животных. Примером может служить утрата хвоста при превращении головастика в лягушку.

 

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) и рибосомы.

Эндоплатазматическая сеть является системой синтеза и транспорта органических веществ в цитоплазме клетки, представляющей собой систему соединенных полостей, канальцев и трубочек.

Они ограничены мембраной, сходной по строению с плазматической мембраной. К мембранам эндоплазматической сети прикреплено большое число рибосом — органоидов, состоящих из р-РНК и белка. На рибосомах и происходит синтез белков клетки. Затем вновь синтезированные белки поступают в систему полостей и канальцев, по которым перемещаются внутри клетки.

В цитоплазме клетки есть и свободные, не прикрепленные к мембранам эндоплазматической сети рибосомы. Как правило, они располагаются группами, на них тоже синтезируются белки, используемые самой клеткой.

Комплекс Гольджи. Поступающие в просветы полостей и канальцев эндоплазматической сети продукты биосинтеза концентрируются и транспортируются в специальный аппарат — комплекс Гольджи.

Комплекс Гольджи состоит из 3—8 сложенных стопкой, уплощенных, слегка изогнутых, дискообразных полостей. Он выполняет в клетке разнообразные функции: участвует в транспорте продуктов биосинтеза к поверхности клетки и в выведении их из клетки, в формировании лизосом и т. д.

В настоящее время сложилось представление о наличии в клетке единой мембранной системы. В этой системе взаимосвязаны такие органоиды клетки, как эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы.

 

Митохондрии. В цитоплазме клеток расположены так называемые энергетические органоиды — митохондрии. Митохондрии видны в световой микроскоп. Форма митохондрий различна, они могут быть овальными, палочковидными, нитевидными. Число митохондрий в клетке зависит от функциональной активности клетки.

Внутреннее строение митохондрий изучено с помощью электронного микроскопа. На электронных микрофотографиях видно, что митохондрии снаружи ограничены внешней мембраной, которая в основном имеет то же строение, что и плазматическая мембрана. Под наружной мембраной располагается внутренняя мембрана, образующая многочисленные складки — кристы. Внутри митохондрий находятся окислительные ферменты, РНК, ДНК и рибосомы, отличающиеся от цитоплазматических. В ее мембраны встроены специфические ферменты, с помощью которых в митохондрии происходит преобразование энергии пищевых веществ в энергию АТФ, необходимую для жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Пластиды. Это органоиды, свойственные только клеткам растений. По своему строению пластиды сходны с митохондриями, так как имеют двухмембранное строение. Существуют три вида пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.

Хлоропласт по форме.напоминает диск или шар диаметром 4 — 6 мкм с двойной оболочкой — наружной и внутренней. Внутри хлоропласта имеются ДНК, рибосомы и особые мембранные структуры — граны, связанные между собой и с внутренней мембраной хлоропласта. В мембранах гран находится хлорофилл. Благодаря хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ. Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза углеводов из углекислого газа воздуха.

Хромопласты. Пигменты красного и желтого цвета, находящиеся в хромопластах, придают различным частям растений красную и желтую окраску. Корень моркови, плоды томатов окрашены благодаря пигментам, содержащимся в хромопластах. Сочетание хромопластов, содержащих разные пигменты, создает большое разнообразие окрасок цветков и плодов растений.

Лейкопласты являются местом накопления запасного питательного вещества — крахмала. Особенно много лейкопластов в клетках клубней картофеля. На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (в результате чего клубни картофеля зеленеют). Осенью хлоропласты превращаются в хромопласты и зеленые листья и плоды желтеют и краснеют.

Органоиды движения. Многие клетки одноклеточных и многоклеточных организмов обладают способностью к движению. Под этим понимается и движение клетки в пространстве, и внутриклеточное движение ее органоидов. У растений, животных и грибов движение клеток необходимо для взаимодействия между собой. В жидкой среде перемещение клеток осу­ществляется движением жгутиков и ресничек. Так передвигаются многие одноклеточные, например эвглена зеленая, туфельки и др. Некоторые виды бактерий также движутся с помощью жгутиков, длинных и гибких, которые быстро вращаются, обеспечивая продвижение клетки. Амебы и некоторые другие простейшие организмы, а также специализированные клетки многоклеточных (например, лимфоциты) передвигаются с помощью выростов, образующихся на поверхности клеток.

Клетка находится в постоянном движении. При фагоцитозе и пиноцитозе происходит впячивание плазматической мембраны внутрь клетки, передвигаются лизосомы, пузырьки комплекса Гольджи, митохондрии, наконец, движется сама цитоплазма.

Клеточное движение обеспечивается структурами, называемыми микротрубочками и микронитями. Микротрубочки — это длинные полые цилиндры, стенки которых состоят из белков. Из микротрубочек состоят жгутики и реснички всех изученных клеток. Микронити — очень тонкие структуры, состоящие в основном из белка. В мышечных клетках они создают структуры, обеспечивающие сократительную функцию этих клеток.

В цитоплазме клеток всех организмов около ядра располагается клеточный центр, принимающий участие в делении клетки. В состав клеточного центра клеток животных и низших растений входит центриолъ.

Центриоль — парное образование. Она содержит две удлиненные гранулы, состоящие из микротрубочек и расположенные перпендикулярно друг к другу.

Клеточные включения. Наконец, следует сказать о многочисленных включениях в цитоплазме. Включениями называют непостоянные структуры цитоплазмы, которые в отличие от органоидов то возникают, то исчезают в процессе жизнедеятельности клетки. Плотные в виде гранул включения содержат запасные питательные вещества (крахмал, белки, сахара, жиры) или продукты жизнедеятельности клетки, которые по той или иной причине не могут быть сразу удалены. Способностью синтезировать и накапливать запасные питательные вещества обладают все пластиды растительных клеток..

В растительных клетках накопление запасных питательных веществ происходит и в вакуолях, которые часто занимают почти весь объем клетки, отодвигая ядро и цитоплазму к плазматической мембране.

 

Строение ядра. В клетке животных высших растений и грибов находится, как правило, одно ядро. Ядро имеет шаровидную или округлую форму. Оно окружено мембраной, которая состоит из двух слоев — наружного и внутреннего. Каждый из них подобен плазматической мембране, но отличается многочисленными порами, которые насквозь пронизывают мембранные слои. Через них осуществляется активный обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Размеры пор позволяют проникать из ядра в цитоплазму даже крупным молекулам и частицам.

В ядре хранится наследственная информация не только о всех признаках и свойствах данной клетки, о процессах, которые должны протекать в ней (например, синтез белка), но и о признаках организма в целом. Информация записана в молекулах ДНК, которые являются важной составной частью хромосом. Однако основную часть хромосом составляют различные белки. Хромосомы между делениями клетки представляют собой длинные, очень тонкие нити, увидеть которые можно только в электронный микроскоп. Они располагаются равномерно по всему объему ядра, иногда образуя плотные клубки, которые при окраске специальными красителями хорошо видны в световой микроскоп. Хромосомы в световом микроскопе становятся хорошо различимыми при делении клетки, когда они скручиваются в спираль, при этом укорачиваясь и утолщаясь.

В ядрах всегда присутствует одно или несколько ядрышек. Ядрышко формируется определенными участками хромосом; в нем образуются рибосомы. Ядро благодаря наличию в нем хромосом, содержащих наследственную информацию, выполняет функции центра, управляющего всей жизнедеятельностью и развитием клетки.

Ведущая роль ядра в наследственности. Итак, в ядре клеток заключены хромосомы, которые содержат ДНК — хранилище наследственной информации. Этим определяется ведущая роль клеточного ядра в наследственности. Данное важнейшее положение современной биологии не просто вытекает из логических рассуждений, оно доказано рядом точных опытов. Приведем один из них. В Средиземном море обитает несколько видов одноклеточных зеленых водорослей — ацетабулярий. Они состоят из тонких стебельков, на верхних концах которых располагаются шляпки. По форме шляпок различают виды ацетабулярий. В нижнем конце стебелька ацетабулярий находится ядро.

У ацетабулярий одного вида искусственно удалили шляпку и ядро, а к стебельку подсадили ядро, извлеченное у ацетабулярий другого вида. Что же оказалось? Через некоторое время на водоросли с подсаженным ядром образовалась шляпка, характерная именно для вида, которому принадлежало пересаженное ядро.

Хотя ядру принадлежит ведущая роль в явлениях наследственности, из этого, однако, не следует, что только ядро ответственно за передачу всех свойств из поколения в поколение. В цитоплазме также существуют структуры (хлоропласты и митохондрии), содержащие ДНК и способные передавать наследственную информацию.

Таким образом, именно в ядре каждой клетки содержится основная наследственная информация, необходимая для развития целого организма со всем разнообразием его свойств и признаков. Именно ядро, играет центральную роль в явлениях наследственности.

 

4. Прокариоты и эукариоты.

 

Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: предъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты).

Клетки прокариот, к которым относятся бактерии, в отличие от эукариот, имеют относительно простое строение. В прокариотичес-кой клетке нет организованного ядра, в ней содержится только одна хромосома, которая не отделена от остальной части клетки мембраной, а лежит непосредственно в цитоплазме. Поскольку бактериальная хромосома содержит очень мало белков и представляет собой нить ДНК, она может быть только условно названа хромосомой. Однако в ней также записана вся наследственная информация бактериальной клетки.

Цитоплазма прокариот по сравнению с цитоплазмой эукариотических клеток значительно беднее по составу структур. Там находятся многочисленные более мелкие, чем в клетках эукариот, рибосомы. Функциональную роль митохондрий и хлоропластов в клетках прокариот выполняют специальные, довольно просто устроен­ные мембранные структуры.

Клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной, поверх которой распола­гается клеточная оболочка или слизистая капсула. Несмотря на относительную простоту, прокариоты являются типичными незави­симыми клетками.