Особенности растительных клеток.

 

Существуют серьезные различия между животными и растительными клетками. Эти различия связаны с образом жизни и питания этих групп живых существ.

1. Растительные клетки имеют помимо клеточной мембраны довольно жесткую клеточную стенку, состоящую из целлюлозы. Она обеспечивает механическую прочность растению, защищает его от повреждений. Клеточные стенки проводящей системы приспособлены для дальнего транспорта веществ по растению. У некоторых растений клеточные стенки приспособлены для хранения питательных веществ.

2. В клетках растений значительное место занимают такие органоиды как вакуоли. Вакуоль – это заполненный жидкость мембранный мешок, стенка которого состоит из однослойной мембраны. В клетках растений вакуоли занимают порой почти все пространство клетки. Отсюда и весьма разнообразные функции этих органелл. Иногда они хранят питательные вещества, иногда гидролитические ферменты, то есть берут на себя роль лизосом.

3. Наконец, надо отметить самые характерные именно для растительных клеток органоиды – пластиды. Выделяют три класса пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.

· Хлоропласты – зеленые пластиды, так как содержат зеленый пигмент хлорофилл. Здесь происходит фотосинтез.

· Хромопласты – это нефотосинтезирующие окрашенные пластиды, в которых не происходит процесс фотосинтеза. Они содержат пигменты каратиноиды, главным образом, красного, оранжевого и желтого цвета. Этих органелл больше всего в плодах и цветах растений.

· Лейкопласты – это бесцветные пластиды. Они приспособлены для хранения веществ и поэтому их особенно много в запасающих органах растений – корнях, семенах и молодых листьях.

Как и в отношении митохондрий существует гипотеза о симбиотическом происхождении растительных клеток. Любопытно, что пластиды могут превращаться друг в друга. Именно этим можно объяснить то, что листья желтеют осенью, а картофель зеленеет на свету.

Клетки грибов.

 

Грибы раньше относили к растениям, лукаво называя их бесхлорофильными растениями. Однако ни по способу питания, ни по строению клеточных структур грибы на растения не похожи.

Грибы питаются готовыми органическими веществами. Однако, как правило, это вещества уже погибших организмов. Грибы разлагают эти вещества и возвращают в круговорот, существующий в природе.

Пожалуй, главным отличием в химической структуре клеток грибов является то, что их клеточная стенка содержит не целлюлозу, а другой полисахарид – хитин, который встречается у животных, в частности у насекомых, но никогда не встречается у растений.

Да и строение самих клеток грибов значительно отличается от строения клеток растений или животных. Дело в том, что мицелий или, проще, грибница порой состоит из гигантских многоядерных клеток, разделенных произвольно перегородками на отдельные камеры – септы. Так что, выделив грибы в отдельное царство живой природы, ученые как бы подчеркнули всю их несхожесть с другими царствами живой природы.

Рассматривая строение и функции клеток, мы могли убедиться, что клетки – основа жизни. Несмотря на многие существенные различия, представителей растений, животных, грибов и даже бактерий роднит клеточное строение.

 

6.. Вирусы.

Однако в природе встречаются формы живых существ, которые не имеют клеточного строения. Речь идет о вирусах. Вирусы – это то исключение, которое как будто специально создано природой, чтобы подтвердить правило, что все живое состоит из клеток. Они были открыты в 1892 году отечественным ученым Дмитрием Иосифовичем Ивановским.

Вирусы состоят из белковой капсулы, называемой капсид и нуклеиново й кислоты ДНК или РНК. Капсид может быть довольно просто устроен, например, как у вируса табачной мозаики или напротив, может быть весьма сложен, как у вируса оспы.

Хотя сами вирусы клеточного строения не имеют, вся их жизнедеятельность протекает в клетке. Это указывает, по мнению ряда ученых на то, что вирусы возникли в результате упрощения примитивных клеточных форм.

Существует и другая гипотеза их происхождения. Согласно этой гипотезе, вирусы – древнейшие живые существа на нашей планете, которые лишь затем стали паразитами. На это указывает, по-видимому, их разнообразие.

Высказывается и третья точка зрения. Вирусы рассматриваются, как, так сказать, «одичавшие» гены. На это указывает несомненное сходство в поведении вирусов и подвижных генетических элементов.

Несомненно, что вирусы сыграли и продолжают играть важную роль в эволюции других живых существ. Это выражается в том, что вирусы являются мощным мутагенным фактором, а также в том, что геном вируса может включаться в геном хозяина. Вирусы могут передавать генетическую информацию не только от одной особи данного вида к другой, но и к особям других видов, что показано экспериментально.

Сколько их? Известно не так уж много. 200 форм животных вирусов, 170 – растительных вирусов и более 50 форм, паразитирующих на бактериях.

Вирусы разделяют на две большие группы: РНК-содержащие и ДНК-содержащие. А какое здесь разнообразие вариантов! Есть вирусы, содержащие односпиральную ДНК и состоящую из двух спиралей РНК.

Вирусы, содержащие РНК научились использовать её в качестве матрицы для производства копий ДНК. Это осуществляет у них особый фермент РНК-зависимая-ДНК-полимераза, обычно его называют обратная транскриптаза.

К группе однонитевых РНК-содержащих вирусов или так называемых ретровирусов относится вирус, вызывающий болезнь, названную чумой ХХ века. Это вирус, вызывающий СПИД. Любопытно, что ДНК-копии этих вирусов способны перемещаться, и внедрятся в разных местах ДНК хозяина.

Наиболее хорошо изучены ДНК-содержащие вирусы. Особенно группа бактериофагов, то есть вирусов, паразитирующих на бактериях. В своем развитии типичный бактериофаг проходит ряд стадий.

1. Вначале фаг прикрепляется к стенке клетки.

2. Затем происходит проникновение нуклеиновой кислоты внутрь клетки. Это происходит либо путем затягивания всей вирусной частицы внутрь клетки, либо путем впрыскивания нуклеиновой кислоты.

3. После этого нуклеиновая кислота вируса подчиняет себе клеточный белок - синтезирующий аппарат и начинает синтезировать белки, характерные для вируса. Далее происходит синтез вирусной нуклеиновой кислоты.

4. Развитие вируса продолжает самосборка вирусных частиц. После чего нуклеиновая кислота упаковывается в вирусные капсиды.

5. Наконец, развитие вируса завершается выходом вируса из клетки. Это происходит двумя способами и зависит от природы вируса. В первом случае происходит отпочковывание вирусных частиц без серьезного повреждения клетки. Второй путь – это полное разрушение клетки после накопления в ней вирусных частиц. Этот путь называется лизисом.

Так или иначе, клетки, пораженные вирусом, гибнут. Таким образом, вирусы – это паразиты на клеточном уровне.

Вирусы являются возбудителями многих опасных заболеваний человека и животных. Достаточно вспомнить лишь некоторые из них грипп, полиомиелит, оспа, различные формы тропических лихорадок и, наконец, уже упоминаемый ранее СПИД.

Изучение вирусов вносит неоценимый вклад в изучение клетки. На основе вирусов разработаны многие методики генной инженерии. Эти методы позволяют ученым глубже проникнуть в мир клеток.

 

Раздел 2. РАЗМНОЖЕНИЕ КЛЕТКИ И ОНТОГЕНЕЗ.

 

Содержание раздела.

1 Деление соматических клеток.

Половое размножение.

3.Онтогенез или индивидуальное развитие.

 

 

1. ДЕЛЕНИЕ СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК.

Клеточный цикл.

В жизни клетки наступает рано или поздно момент, когда она начинает делиться. Правда, некоторые клетки со временем утрачивают эту способность, в частности, клетки центральной нервной системы, но все же это исключение из правила.

Время существования клетки от окончания одного деления до начала нового деления называют клеточным циклом. Смысл клеточного деления состоит в равномерном распределении наследственного материала между двумя новыми клетками.

У прокариотических организмов – бактерий и цианобактерий – после удвоения, молекулы ДНК разносятся в разные участки клетки. Затем образуется клеточная перетяжка и каждая молекула ДНК, (кольцевая хромосома) оказывается в новой клетке.

У ядерных, эукариотических организмов сложился более сложный тип деления – митоз. В ряде случаев, главным образом, при раковом перерождении, клетка делится без образования хромосом. Такой тип деления называется амитоз. Для образования половых клеток существует особый процесс деления мейоз.

Митоз характерен для большинства эукариотических клеток. При этом процессе хроматин вначале упаковывается в хромосомы. В полном хромосомном наборе большинства эукариотических организмов каждая хромосома представлена дважды. Одна получена от отца, а другая – от матери. Стало быть, у человека 23 хромосомы получены от отца, а другие 23 – от матери. Хромосомы содержат гены. В данном случае, гены – это участкихромосом, отвечающие за какую-нибудь деталь строения тела, биохимический или физиологический процесс.

Сходные по строению и составу генов хромосомы называются гомологичными. Хромосомный набор, содержащий по две гомологичные хромосомы, называется диплоидным.

 

Митоз.

 

Период между делениями клетки называется интерфаза. Непосредственноделению клетки предшествует подготовительный период, во время которого происходит синтез белков и удвоение ДНК.

Процесс митоза проходит несколько фаз. Первая фаза митоза называется – профаза. На стадии профазы хромосомы в ядре становятся различимыми в световом микроскопе. Они вначале представляют собой тонкие двойные нити, которые постепенно укорачиваются и утолщаются. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые соединяются перетяжкой – центромерой.

Вторая стадия митоза называется метафаза. Хромосомы выстраиваются по экватору деления. В метафазе происходит удвоение центромеры. Это тем более важно, так как центромера – это часть хромосомы, которая контролирует её движение во время деления.

Третья стадия называется анафаза. На этой стадии центромеры отталкиваются, а хромосомы, ставшие дочерними хромосомами расходятся к полюсам деления. Движение это осуществляется с помощью веретена деления. Это нити, состоящие из сократительных белков. Они образуются из клеточного органоида, называемого клеточный центр.

Четвертая стадия называется телофаза. Дочерние хромосомы деспирализуются разбухают и постепенно становятся невидимыми. Каждый набор дочерних хромосом окружается ядерной мембраной и становится ядром дочерней клетки.

Биологический смысл митоза в том, что в результате этого процесса образуются две дочерние клетки с абсолютно идентичными наборами хромосом. Таким образом, генетическая информация передается от родительской клетки к дочерней.

Продолжительность митоза различна в различных тканях и клетках одного и того же организма и колеблется от 10 минут до нескольких часов.

 

 

2. ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ.

 

1. Мейоз.

 

Как уже упоминалось выше, существуют две основные формы размножения – бесполое и половое. При половом размножении образуются особые клетки – гаметы. Гаметы отличаются от клеток тела тем, что имеют гаплоидный, то есть половинный набор хромосом. Например, если в клетках тела человека содержится 46 хромосом, то в гаметах их всего – 23. Биологический смысл полового размножения состоит в создании новых комбинаций генов.

Гаметы образуются в процессе гаметогенеза. В основе этого процесса лежит особый способ деления мейоз. Мейоз – это способ деления, в результате которого число хромосом, свойственное клеткам тела, уменьшается вдвое.

Мейозу предшествует интерфаза, в результате которой количество ДНК в клетке возрастает вдвое. Каждая хромосома удваивается и состоит из двух хроматид. Хроматиды впоследствии станут сестринскими хромосомами.

Мейоз состоит из двух последовательных делений. Чтобы отличить первое деление от второго, фазы первого деления обозначают цифрой 1, а второго деления цифрой 2. Таким образом, первое деление мейоза состоит из профазы 1, метафазы 1, анафазы 1 и телофазы 1.

Профаза 1 очень сложна и состоит из ряда последовательных стадий подготовки хромосом к делению. Во время профазы 1 происходит синапсис гомологичных хромосом. Результатом этого процесса является обмен участками между гомологичными хромосомами, называемый перекрестом или кроссинговером. При этом гомологичные хромосомы образуют так называемые тетрады, когда обмен идет фактически между 4 хромосомами.

В метафазе 1 хромосомы выстраиваются по экватору. При этом расположение материнских и отцовских хромосом гомологичных пар и по отношению к полюсам деления часто случайно и не зависит от положения других пар.

В анафазе 1 гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам. Каждая хромосома на этой стадии состоит из двух дочерних хроматид. Причем, направление движения каждой гомологичной пары не зависит от направления других. Это способствует комбинированию хромосом отцовского и материнского наборов.

Телофаза 1 завершает первый эта мейоза. Образовавшиеся ненадолго дочерние ядра несут гаплоидный набор хромосом. При этом каждая хромосома все ещё состоит из двух хроматид. Сущность второго деления мейоза, как раз и состоит, в разделении этих хроматид.

В промежутке между первым и вторым делением мейоза, называемом интеркиназом, удвоения ДНК не происходит. После очень короткой профазы 2 наступает метафаза 2, где хромосомы выстраиваются по экватору. Они представляют собой гаплоидный набор хромосом, но все ещё состоят из двух сестринских хроматид. В анафазе 2 происходит разделение сестринских хроматид и они, наконец, становятся отдельными хромосомами. Эти хромосомы расходятся к полюсам деления. Второе деление мейоза завершается образованием гаплоидных ядер и половых клеток гамет.

Таким образом, в процессе мейоза происходит редукция хромосомного набора. Этот процесс необходим для того, чтобы при оплодотворении и слиянии гамет происходило восстановление исходного набора хромосом, характерного для клеток тела. Мейоз обеспечивает также расширение спектра комбинативной изменчивости.

 

2. Гаметогенез у животных.

 

Мейоз, как уже подчеркивалось, является составной частью процесса гаметогенеза. Рассмотрим теперь особенности гаметогенеза и оплодотворения у растений и животных.

У многоклеточных животных гаметогенез проходит три стадии. На первой стадии происходит митотическое деление предшественников гамет. На второй стадии происходит мейоз. Третья стадия состоит в формировании половых клеток сперматозоидов и яйцеклеток. На этой стадии, у яйцеклеток формируются зародышевые оболочки, а у сперматозоидов – жгутики.

Процесс формирования сперматозоидов называется сперматогенезом, а процесс формирования яйцеклеток – овогенезом.

Образование гамет связано с процессом оплодотворения. Оплодотворение – это слияние мужской и женской гамет. Этот процесс состоит из двух стадий. На первой стадии, которая называется сингамия, происходит слияние клеток. На второй стадии, называемой кариогамия, происходит слияние ядер. В результате образуется клетка зигота, из которой развивается новый организм.

В процессе оплодотворения осуществляются следующие важные генетические явления, необходимые для нормального существования вида. Во-первых, происходит восстановление двойного, то есть диплоидного набора хромосом. Во-вторых, этот процесс обеспечивает материальную непрерывность межу поколениями, следующими друг за другом. В-третьих, происходит объединение в одном индивидууме наследственных свойств и отцовского и материнского организмов.

У животных оплодотворение проходит ряд фаз. 1. Проникновение сперматозоида в яйцеклетку. 2. Подготовка слияния сперматозоида с ядром яйцеклетки. 3. Слияние сперматозоида с ядром яйцеклетки.

Детали этого процесса очень варьируют и специфичны для каждого вида, что препятствует межвидовому скрещиванию.

 

3. Необычные формы полового размножения у животных.

 

Однако у некоторых видов животных воспроизведение нового поколения осуществляется с помощью необычных разновидностей полового размножения: гиногенеза, андрогенеза и партеногенеза.

Гиногенез и андрогенез – это формы полового размножения, при которых происходит сингамия и не происходит кариогамия.

При гиногенезе сперматозоид после проникновения в клетку гибнет, и развитие происходит за счет ядра яйцеклетки. Так происходит размножение, например, у рыбки молинезии. При андрогенезе, напротив сохраняется ядро сперматозоида и за счет него идет развитие зародыша. Такой тип развития известен у некоторых видов тутового шелкопряда.

Партеногенез – это форма полового размножения, при котором зародыш развивается вовсе без оплодотворения. Такой тип размножения называют также девственным размножением. Надо отметить, что речь идет именно о половом типе размножения, так как размножение происходит из половых клеток.

Различают партеногенез естественный и искусственный.

У многих видов животных и растений естественный партеногенез может быть случайной формой размножения, при которой зародыш оказывается мало жизнеспособным и редко достигает взрослого состояния. У некоторых видов живых существ существуют популяции, состоящие только из особей женского пола, которые размножаются путем партеногенеза. Наблюдается также чередование партеногенетических поколений и обычных. Например, у тлей поколения, состоящие только из самок, чередуются с поколениями состоящими из самцов и самок.

Цитологические механизмы партеногенеза различны. У одних видов яйцеклетка образуется обычным путем, и все клетки партеногенетических организма состоят из гаплоидных клеток. Так, например, у пчел развиваются самцы-трутни. Есть виды, у которых гаплоидная яйцеклетка сливается с одной из клеток тела и приобретает диплоидный набор хромосом. У третьих яйцеклетка образуется без мейоза и сохраняет диплоидный, а иногда и полиплоидный набор хромосом.

 

4. Гаметогенез и оплодотворение у покрытосеменных растений.

 

Теперь обратимся к оплодотворению у растений. Как и у животных у разных групп растений наблюдается весьма большое разнообразие в деталях процесса размножения. Мы опишем процесс размножения у растений самой распространенной группы – покрытосеменных или цветковых растений.

Развитие яйцеклетки происходит в завязи цветка. Здесь находится клетка, называемая зародышевый мешок. Эта клетка имеет восемь гаплоидных ядер, то есть содержащих половинный по сравнению с клетками тела набор хромосом. Ядра располагаются на верхнем и нижнем полюсах клетки. Перед оплодотворением с ядрами происходят превращения. Вначале два ядра отходят от верхнего и от нижнего полюса клеток и, сливаясь, образуют диплоидное центральное ядро. Затем исчезают пять ядер, и остается только одно ядро, вокруг которого формируется яйцеклетка. Таким образом, к началу оплодотворения зародышевый мешок состоит из двух клеток: центральной, имеющей диплоидное ядро и яйцеклетки, имеющей диплоидное ядро.

Не менее интересные события происходят в пыльцевом зерне. Пыльцевое зерно созревает в пыльцевом мешке. Оно состоит из двух клеток: генеративной и вегетативной. При попадании пыльцевого зерна на рыльце пестика из вегетативной клетки развивается пыльцевая трубка, по которой спермии проникают в завязь. Генеративная клетка перед оплодотворением делится и образует два спермия.

Во время оплодотворения один спермий сливается с центральной клеткой, а другой спермий с яйцеклеткой. В результате образуется диплоидный зародыш и триплоидный, то есть, имеющий тройной набор хромосом, эндосперм.

Такой способ оплодотворения называется двойным оплодотворением.

 

3. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ ИЛИ ОНТОГЕНЕЗ.