Клеточное строение организмов
В 1665 г английский физик Р. Гук на срезе пробки увидел оболочки растительных клеток. Отдельный элемент ячеистой структуры он назвал клеткой или ячейкой.
А. Левенгук (1632-1723 гг.) первым с помощью микроскопа наблюдал и описал одноклеточные организмы (простейших и бактерий), обнаруженные им в капле воды. Он также первым увидел клетки животных - эритроциты и спермии.
В дальнейшем большую роль в развитии представлений о том, что клетка - явление почти универсальное в органическом мире, сыграли исследования ученых ряда стран мира: Р. Броуна (в 1831 г. открыл ядро), Я. Пуркинье, И. Мюллера, К. Бэра и др.
Опираясь на многочисленные исследования клетки различными учеными и собственные работы, ботаник М. Шлейден в 1838 г. и зоолог Т. Шванн в 1839 г. формулируют клеточную теорию как основу одного из важнейших биологических обобщений. Они отмечали, что все живое состоит из клеток, имеющих одинаковое строение; в основе развития клеток лежит единый принцип; клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов; свойства организма являются суммой свойств его клеток.
Однако в их теории был ряд ошибок и недостатков. Например, они неправильно трактовали образование клеток, считая, что те возникают из первичного неклеточного вещества. Это представление опроверг Р. Вирхов, утверждавший, что каждая клетка возникает из клетки.
В настоящее время клеточная теория включает следующие положения:
1) клетка - это основная наименьшая структурная и функциональ-
ная единица живых организмов;
2) клетки растений и животных сходны по своему строению и развитию;
3) каждая новая клетка возникает из клетки, т.е. в результате деления
исходной (материнской) клетки;
4) главный регуляторный компонент клетки - ядро;
5) клетки всех организмов имеют мембранное строение;
6) клеточное строение живых организмов является свидетельством единства их происхождения.
Клеточная теория, доказав единство структуры животных и растений, подготовила почву для создания Ч. Дарвиным эволюционной теории: зная об общности строения всех живых существ, легче доказать, что все они имеют и общее происхождение.
В природе существует значительное разнообразие конкретных клеточных форм, но число основных типов клеточной организации ограничено. Выделяют прокариотический и эукариотический типы с подразделением последнего на подтип клеток простейших организмов и подтип клеток многоклеточных.
Прокариоты
Клетки прокариотического типа имеют малые размеры (не более 0,5- 3,0 мкм в диаметре). У них нет морфологически обособленного ядра, тле. ядерный матерная в виде одной кольцевой двуцепочечной ДНК не отграничен от цитоплазмы оболочкой и называется нуклеоидом. В клетках отсутствует развитая система мембран, хотя в цитоплазме есть мембраны, образующие эндоплазматическую сеть, рибосомы.
Рис. 1 Строение прокариотической клетки.
Генетический аппарат лишен основных белков - гистонов, т.е. ДНК с гистонами не соединяется, поэтому регуляция функций наследственного материала у прокариот и эукариот имеет разные механизмы. У прокариот нет высокоспециализированных клеточных органелл - митохондрий, аппарата Гольджи, хлоропластов и ряда других. У них отсутствует клеточный центр. Для них не типичны клеточные перемещения цитоплазмы и амебоидное движение. Время, необходимое для образования двух дочерних клеток из материнской (время генерации), сравнительно мало и исчисляется десятками минут. Прокариотические клетки не делятся митозом. Они часто размножаются делением на двое, однако, встречается и "половой" процесс обмена генетической информацией между двумя клетками. К этому типу клеток относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.
Бактерии представляют собой типичные прокариотические клетки. Они живут повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах. Они обитают в самой глубокой котловине в океане и на высочайшей горной вершине Земли-Эвересте, их находят во льдах Арктики и Антарктики, в подземных источниках горячих вод, верхних слоях атмосферы.
Уже этот перечень условий обитания показывает, какой высокой степенью приспособленности обладают прокариотические организмы, несмотря на простоту своего строения. Бактерии представляют собой примитивные формы жизни, и можно предположить, что они относятся к тому типу живых существ, которые появились на самых ранних этапах развития жизни на Земле.
По-видимому, первоначально бактерии жили в морях; от них, вероятно, и произошли современные микроорганизмы. Человек познакомился с миром микробов сравнительно недавно, лини, после того, как научился изготовлять линзы (XVII в.), дающие достаточно сильное увеличение.
Развитие техники в последующие века позволило подробно изучить бактерии и другие прокариотические организмы.
Остановимся на особенностях строения клетки бактерий.
Размеры бактериальных клеток колеблются в широких пределах: от 1 до 10-15 мкм. По форме выделяют шаровидные клетки - кокки, вытянутые палочки, или бациллы, и извитые - спириллы. В зависимости от того, к какому виду относятся микроорганизмы, они существуют или по отдельности, или образуют характерные скопления (рис.2). Например, стрептококк, вызывающий воспалительные заболевания у человека и животных, образует цепочки из нескольких бактериальных клеток; стафилококк, поражающий дыхательные пути у детей, растет в виде образований, напоминающих кисть винограда. По характеру таких скоплений бактериальных клеток и по особенностям их жизнедеятельности микробиологи могут определить, к какому виду относится выделенный микроорганизм.
Рис.2. Различные формы бактерий.
По своим физиологическим свойствам бактерии довольно разнообразны. Они могут жить либо в аэробных, либо в анаэробных условиях, или и в тех и в других. Необходимую им энергию они получают в процессе дыхания, брожения или фотосинтеза. Ряд видов содержит различные пигменты. Многие бактерии паразитируют в организме животных или растений, вызывая у них заболевания. Сравнительно недавно были открыты бактерии, паразитирующие на других бактериях. Основная особенность строения бактерий - отсутствие ядра, ограниченного оболочкой. Наследственная информация у бактерий заключена в одной хромосоме.
Бактериальная хромосома, состоящая из одной молекулы ДНК, имеет форму кольца и погружена в цитоплазму. ДНК у бактерий не образует комплексов с белками, и поэтому все гены, входящие в состав хромосомы, "работают", т.е. с них непрерывно считывается наследственная информация. Бактериальная клетка окружена мембраной, отделяющей цитоплазму от клеточной стенки, образованной сложным гетерополимерным веществом. В цитоплазме мембран мало. В ней находятся рибосомы, осуществляющие синтез
белков.
Все ферменты, обеспечивающие процессы жизнедеятельности бактерий, диффузно рассеяны по цитоплазме или прикреплены к внутренней поверхности мембраны.
У многих микроорганизмов внутри клетки откладываются запасные вещества-полисахариды, жиры, полифосфаты. Эти вещества, включаясь в обменные процессы, могут продлевать жизнь клетки в отсутствие внешних
источников энергии.
Как правило, бактерии размножаются делением надвое. После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся или остаются связанными в характерные группы-цепочки,
пакеты и т.д.
Бактериям свойственно спорообразование. Споры возникают, как правило, когда ощущается недостаток в питательных веществах или когда в среде в избытке накапливаются продукты обмена. Спорообразование начинается с отшнуровывания части цитоплазмы от материнской клетки. Отшнуровавшаяся часть содержит хромосому и окружена мембраной.
Затем спора окружается клеточной стенкой, нередко многослойной. Споры бактерий очень устойчивы. В сухом состоянии они сохраняют жизнеспособность многие сотни и даже тысячи лет, выдерживая резкие колебания температуры. Примером этого могут служить споры, обнаруженные в древних захоронениях, при стерильном бурении льдов, окружающих Южный полюс. Ученые микробиологи вырастили колонии микроорганизмов из спор, оказавшихся в образце льда, возраст которого насчитывал 10-12 тыс. лет.