Глава 2

Основы учения о клетке

Изучив эту главу, вы сумеете:

• охарактеризовать состав и строение клетки, объяснить роль внутри­клеточных структур (органоидов и молекул) в процессе жизнедеятель­ности клетки;

• различить типы органических соединений живых клеток;

• объяснить различия клеток эукариот и прокариот, автотрофов и гетеротрофов;

• рассказать о роли обмена веществ в жизни клетки;

• сравнить процессы биосинтеза белков, фотосинтеза и дыхания;

• доказать, что клетка — биосистема.

§ 4 Цитология — наука, изучающая клетку. Многообразие клеток

Наука, изучающая клетки, называется цитологией. Название произошло от греческих слов kytos— «вместилище», «клетка» и logos— «учение». Цитология исследует состав, строение и функции клеток у многоклеточных и одноклеточ­ных организмов.

Наука, исследующая клетку, ведет свою историю с середины XIX в., но корни ее уходят в XVII в. Развитие знаний о клетке во многом связано с усовер­шенствованием технических устройств, позволяющих ее рассмотреть и изу­чить. Понять жизнь клетки помогли работы ученых-цитологов, исследующих строение и жизнедеятельность клетки. В 1665 г. английский естествоиспыта­тель Р. Гук впервые рассмотрел оболочки растительных клеток, а в 1674 г. нидерландский натуралист А. ван Левенгук первым наблюдал под самодель­ным микроскопом некоторых простейших и отдельные клетки животных (эритроциты, сперматозоиды). В 1838 г., обобщая имевшиеся к тому времени сведения о клетке, немецкий ботаник М.Я. Шлейден поставил вопрос о возник­новении клеток в организме. Немецкий физиолог и цитолог Т. Шванн, осно­вываясь на работах Шлейдена, в 1839 г. изложил основы клеточной теории: все ткани состоят из клеток, клетки растений и животных имеют общий прин­цип строения, так как образуются одинаковым способом; все клетки самостоя­тельны, а любой организм — это совокупность жизнедеятельности отдельных групп клеток.

Появление клеточной теории Шлейдена и Шванна обусловило дальнейшее развитие учения о клетке. Немецкий патолог Р. Вирхов доказал, что клетка является постоян­ной структурой, возникающей путем размножения себе подобных. Ему принадлежит афористическое утверждение: «Каждая клетка — из клетки». В конце XIX в. была выска­зана гипотеза, что наследственные свойства заключены в ядре. В 1 892 г. И.И. Мечни­ков открыл фагоцитоз (от греч. phagos — «пожиратель», kytos — «клетка») — активное захватывание и поглощение различных частиц одноклеточными организмами и даже клетками многоклеточного организма. В 1898 г. С.Г. Навашин открыл особый тип оплодотворения — двойное оплодотворение, свойственное всем цветковым расте­ниям. В начале XX в. были разработаны методы культивирования клеток в пробирке и сконструирован первый электронный микроскоп. В результате учение о клетке обо­гатилось трудами генетиков о свойствах клетки, доказавших цитологическую основу передачи наследственных свойств.

Исследования ученых позволили сформулировать основные положения современной клеточной теории. Назовем эти положения: клетка — универсаль­ная структурная единица живого; клетки размножаются путем деления (клетка от клетки); клетки хранят, перерабатывают, реализуют и передают наследст­венную информацию; клетка — это самостоятельная живая система (биосисте­ма), отражающая определенный структурный уровень организации живой ма­терии; многоклеточные организмы — это комплекс взаимодействующих сис­тем различных клеток, обеспечивающих организму рост, развитие, обмен ве­ществ и энергии; клетки всех организмов сходны между собой по строению, химическому составу и функциям.

Мир клеток живой природы чрезвычайно разнообразен. Клетки разли­чаются по своей структуре, форме и функциям. Среди них есть свободноживущие клетки, которые ведут себя как особи популяций и видов, как самостоя­тельные организмы, жизнедеятельность которых зависит не только от слажен­ной работы внутриклеточных структур, но и от существования клетки как организма (добыча пищи и способ питания, размножение, подвижность в ок­ружающей среде, активное и неактивное переживание неблагоприятных усло­вий и пр.).

Свободноживущих одноклеточных организмов чрезвычайно много. Они входят во все царства живой природы и населяют все среды жизни на на­шей планете.

У многоклеточного организма клетка является его частью. Из клеток об­разуются ткани и органы. Поэтому клетку называют основной структурной единицей организмов (рис. 4).

Размеры клеток варьируют от 0,1-0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм и 1,4 кг (яйцо страуса в скорлупе). Особенно большое разнообразие клеток на­блюдается у эукариот (см. рис. 12).

Обычно у многоклеточных организмов разные клетки выполняют раз­личные функции. Клетки, сходные по строению, расположенные рядом, объеди­ненные межклеточным веществом и предназначенные для выполнения определенных (специализированных) функций в организме, образуют ткани. Ткани возникли в ходе эволюционного развития вместе с появлением многоклеточности, так как специализация клеток и, следовательно, тканей лучше обеспечи­вает процессы жизнедеятельности целостного организма.

Обычно у животных различают четыре типа (группы) тканей: эпителиальную, соедини­тельную, мышечную и нервную. У растений типов тканей больше: покровная, ассимиля­ционная, проводящая, образовательная (меристема), запасающая, выделительная, воз­духоносная и механическая. При этом в каждом типе ткани имеются разные варианты.

Несмотря на большое раз­но­обра­зие форм, клетки разных типов облада­ют сход­ством в главных структурных и функциональных особенностях. При этом процессы жизнедеятельности (дыхание, биосинтез, обмен веществ) идут в клетках независимо от того, являются они одноклеточными организмами или составными частями многоклеточного организма.

Жизнь многоклеточного организма зависит от жизнедеятельности его отдельных клеток и их групп, выполняющих особые, специализирован­ные функции.

Особенность клетки определяется специфичностью ее составных компо­нентов, упорядоченностью происходящих в ней как в целостной живой систе­ме процессов. Каждая живая клетка осуществляет все процессы, от которых зависит ее жизнь: поглощает пищу, извлекает из нее энергию, избавляется от отходов обмена веществ, поддерживает постоянство своего химического состава и воспроизводит саму себя. Все это позволяет рассматривать клетку как особую единицу живой материи, как элементарную живую систему — био­систему клеточного уровня организации жизни.

Клетка — основная структурная и функциональная единица живых орга­низмов.

Из клеток состоят все живые существа — от одноклеточных до крупных растений, животных и человека. И у всех организмов клетки функционируют, с одной стороны, как самостоятельные биосистемы, а с другой стороны, они взаимосвязаны как части целого.

Жизнь многоклеточного организма зависит от свойств и работы его кле­ток, от их взаимодействия между собой. При этом клетки функционируют, не вступая в конкуренцию друг с другом. Кооперация и специализация их функ­ций в организме позволяют ему выжить в тех ситуациях, в которых одиночные клетки не выживают. У сложных многоклеточных организмов (растений, жи­вотных и человека) клетки организованы в ткани, ткани — в органы, органы — в системы органов. И каждая из этих систем представляет собой упорядочен­ную структуру, работающую на выполнение одной общей задачи — осуществле­ние жизнедеятельности данного организма как целостности.

Состояние всего организма зависит от правильности функционирования всех его частей. Интеграция отдельных частей организма и процессов их жиз­недеятельности является важным этапом в эволюции жизни. Клетка, появив­шись миллиарды лет назад, в процессе эволюции приобрела свойства биосисте­мы как формы живого. В течение последующих многих миллионов лет клетка не только усложнилась, но и стала входить в состав специализированных тка­ней, оказалась способной жить и активно функционировать в составе много­клеточных организмов, оставаясь основной структурной единицей жизни. При этом каждая живая клетка осуществляет размножение и передачу в этом процессе своей наследственной (генетической) информации, чем обеспечива­ет непрерывность жизни на Земле.

1. В чем сходство и различия клеток одноклеточных и многоклеточ­ных организмов?

2. Сравните первоначальные и современные положения клеточной теории, отметьте принципиально новые открытия цитологии.

3*. Какие гипотезы науки о клетке вы считаете нужным включить в клеточную теорию?