Строение и размножение клеток

 

Таким образом, с появлением клеточной теории «оболочечный» период в цитологии закончился. Клетку стали представлять в виде комка протоплазмы с ядром внутри (термин «протоплазма» был предложен в 1840 г. для обозначения всего, что находилось внутри клеточных стенок). К концу XIX в. были обнаружены составные части протоплазмы – митохондрии, сетчатый аппарат, нуклеиновые кислоты. Тогда же было изучено деление клеток.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие) и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям - существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). В живом организме находятся миллиарды разнообразных клеток (до 1015), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Несмотря на большое разнообразие клеток и их функций, все они состоят из трех основных частей – плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно; цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация. Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды – специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.

Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул жиропо-добных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Мембрана поддерживает нормальную концентрацию солей внутри клетки. При повреждении мембраны клетка погибает.

Цитоплазма представляет собой водно-солевой раствор из ферментов и других веществ в растворенном и взвешенном состояниях. В цитоплазме располагаются органеллы, окруженные своими мембранами:

– митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами, в которых высвобождается энергия;

– рибосомы – органеллы, состоящие из белка и РНК, с помощью которых идет синтез белка;

– эндоплазматическая сеть – общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ; на мембранах этих каналов находятся ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки;

– клеточный центр, состоящий из двух центриолей. С него начинается процесс деления клетки;

– ядро – важнейшая часть всех клеток (кроме бактериальных), в которой находятся хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к ней белка. Поэтому ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние клетки. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Перед делением число хромосом удваивается. Такое деление клеток, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.

Типы клеток и организмов

 

Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки – яйца. Но в процессе его деления клетки видоизменяются. Это приводит к появлению множества разных клеток – мышечных, нервных, кровяных и т.д. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, в каждой клетке многоклеточного организма есть полная генетическая информация для построения всех белков, нужных для этого организма.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы:

– прокариоты – клетки, лишенные оформленного ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К прокариотам относятся бактерии;

– эукариоты – клетки, содержащие ядра. Кроме того, в них есть митохондрии – органеллы, в которых идет процесс окисления. К эукариотам относятся простейшие, грибы, растения и животные, поэтому они могут быть одноклеточными и многоклеточными.

Таким образом, между прокариотами и эукариотами есть существенные отличия в структуре и функционировании генетического аппарата, клеточных стенок и мембранных систем, синтезе белка и т.д. Предполагается, что первыми организмами, появившимися на Земле, были прокариоты. Так считалось до 1960-х годов, когда углубленное изучение клетки привело к открытию архебактерий, строение которых сходно как с прокариотами, так и с эукариотами. Вопрос о том, какие одноклеточные организмы являются более древними, о возможности существования некой первоклетки, из которой потом появились все три линия развития клетки, до сих пор остается открытым.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы разделить на два вида:

– автотрофные организмы – они не нуждаются в органической пище и могут жить за счет хемосинтеза (бактерии) или фотосинтеза (растения), то есть сами производят необходимые им питательные вещества;

– гетеротрофные организмы – это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнены такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.), обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П.К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность протекания всех процессов жизнедеятельности организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.

Многоклеточные организмы

 

Многоклеточные организмы делятся на три царства: грибы, растения и животные. Их жизнедеятельность, а также работа отдельных частей изучается физиологией. Он изучает также различные функции живого организма, их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, физиология изучает процесс онтогенеза – развитие организма от рождения до смерти. Этот процесс описывается на основе знаменитого биогенетического закона, сформулированного Э. Геккелем, автором термина «онтогенез».

Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, то есть отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проводит все стадии развития своего вида.

Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке, а также проверку согласованности всех систем организма во время его работы и приспособления к окружающей среде.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей.

Ткани – это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций.

Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных клеток. Например, у животных из одинаковых клеток построен плоский эпителий, а из разных клеток – мышечная, нервная, соединительная ткани.

Органы – это относительно крупные функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы.

Внутренние органы есть только у животных, у растений они отсутствуют. В свою очередь органы входят в состав более крупных единиц – систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечно-сосудистую, дыхательную и другие системы.

Собственно живой организм представляет собой особую внутреннюю среду, существующую во внешней среде. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития). Таким образом, организм представляет собой стабильную систему внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде.

Поскольку условия внешней среды постоянно меняются, живые организмы должны на них реагировать, но сохранять при этом стабильность своей внутренней среды. По этой причине живые организмы являются открытыми системами с гомеостатическими обратными связями. Подобная мысль была высказана еще в середине XIX в. французским биологом К. Бернаром, а термин «гомео-стаз» -- введен в 1932 г. американским физиологом У. Кэнноном. Таким образом, организмы поддерживают свою жизнедеятельность за счет постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. При этом процесс метаболизма регулируется посредством механизмов гомеостаза, поддерживающих все клеточные, тканевые, организменные и поведенческие показатели на оптимальных уровнях. Например, в организмах животных такими регуляторами являются железы внутренней секреции, нервная система, которые в свою очередь управляются из соответствующих центров головного и спинного мозга.