Строение клетки. Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из клеток, образующих ткани различных органов и их систем. Клетка – основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Она может существовать как самостоятельный организм (простейшие, бактерии), так и в составе многоклеточных организмов. Размеры клеток варьируются в пределах от 0,1–0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Число клеток в организме зависит от их вида и возраста. Например, организм взрослого человека состоит из 1015 клеток, а число различных видов клеток в нем более 200.
Подобно любому живому существу, клетка способна питаться, расти и размножаться, вследствие чего её можно считать живым организмом. Отдельные её элементы лишены жизненных функций. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещённые в специальную питательную среду, могут расти и размножаться, что широко используется в исследовательских и прикладных целях.
Клеточное строение тканей впервые экспериментально установил английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635–1703), разносторонний учёный, экспериментатор, архитектор. Он открыл закон, названый его именем, разработал многие приборы, усовершенствовал микроскоп, с помощью которого наблюдал в 1665 г. ячеистую структуру среза коры пробкового дуба и для её описания ввел понятие «клетка».
Клетка – основной структурный элемент организмов. Это утверждение составляет сущность клеточной теории, сформулированной в 1838 г. немецким геологом Теодором Шванном (1810–1882). Клеточная теория – одно из крупнейших биологических обобщений, утверждающее общность происхождения и единство принципов строения и развития всех живых организмов. В экспериментальном обосновании клеточной теории важную роль сыграли труды другого немецкого учёного-ботаника Маттиаса Шлейдена (1804–1888).
Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки состоят из трёх основных частей: плазматической мембраны, цитоплазмы и ядра. Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой – клеточной стенкой. Кроме того, они включают пластиды – цитоплазматические органоиды, нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску. Например, у высших растений зелёные пластиды – хлоропласты, бесцветные – лейкопласты, окрашенные – хромопласты.
Плазматическая мембрана обеспечивает обмен веществ между клеткой и внешней средой. Она обладает избирательной проницаемостью и регулирует концентрацию минеральных солей, сахаров, аминокислот и других веществ. Мембрана играет важную роль: при её повреждении клетка сразу гибнет, в тоже время без некоторых других структурных элементов жизнь клетки может продолжаться. Изменение проницаемости мембраны – первый признак гибели клетки.
Цитоплазма составляет основную массу клетки. Она содержит в среднем около 85 % воды, 10 % белков и другие вещества: липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и минеральные соединения. В цитоплазме есть гиалоплазма, в которой протекают биохимические реакции внутриклеточного обмена. В ее состав входят, кроме того, многие органоиды и включения. Органоиды различаются своей структурой и функциями. К ним относятся, например, рибосомы, участвующие в синтезе белков. Включения – это непостоянные по составу компоненты цитоплазмы, содержание которых меняется в зависимости от функционального состояния клеток. Один из видов секреторных включений – продукт жизнедеятельности клеток желез.
Ядро – главная составляющая клетки многих одноклеточных и всех многоклеточных организмов. В ядре находятся хромосомы, содержащие ДНК. Например, соматическая клетка организма человека имеет 23 пары хромосом, а шимпанзе – 24. Ядро выполняет две важнейшие функции:
– хранение и воспроизведение наследственной информации;
– регуляцию обмена веществ.
При развитии и росте многих видов организмов клетки делятся на две дочерние, которым передается полный набор хромосом, несущий генетическую информацию материнской клетке. Для чего сначала число хромосом в клетке удваивается, и затем каждая дочерняя клетка получает по одному их набору и начинает делиться, и деление снова повторяется. Такой процесс деления клеток называется митозом.
В процессе развития организма все клетки постепенно изменяются. Образуется множество отличающихся друг от друга клеток, а из них формируется мышечные, костные и другие ткани, которые выполняют различные функции. Специфика клеток определяется набором синтезируемых веществ. Во всех клетках содержится полная генетическая информация для синтеза тех или иных веществ.
В зависимости от строения клеток все организмы делятся на две группы: прокариоты и эукариоты. Организмы без оформленного клеточного ядра – прокариоты. К ним относятся бактерии. Все остальные организмы – эукариоты, и они бывают одноклеточными и многоклеточными. Клетки прокариот не имеют чётко очерченного ядра: их молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. Предполагается, что первые организмы, появившиеся около 3,5 млрд лет назад, были прокариоты.
Клетки эукариот содержат митохондрии, пластиды и другие органоиды. В клетках растений, кроме того, есть хлоропласты, способные производить фотосинтез, в результате которого из диоксида углерода и воды образуются органические вещества и выделяется кислород. Хлоропласты и митохондрии очень похожи на некоторые бактерии, способные к фотосинтезу. Принимая во внимание такую способность, российский биолог К.С. Мережковский (1855–1921) в 1910 г. высказал предположение: хлоропласты и митохондрии произошли от свободно живущих бактерий, которые проникли в клетки прокариот. Сначала они были внутриклеточными организмами-паразитами, затем, в результате эволюции, стали приносить пользу клетке-хозяину и постепенно превратились в хлоропласты и митохондрии. Возможно, таким образом примерно 1400 млн лет назад возникли клетки-эукариоты.
Если одноклеточный организм, например бактерия, не гибнет от внешнего воздействия, то он может развиваться без признаков старения и его можно считать бессмертным. Многоклеточные организмы живут лишь непродолжительное время. Многие из них состоят из двух видов клеток: соматических и половых. Половые клетки служат для размножения, а соматические – клетки тела – различаются по строению и функциям (например, нервные, костные, мышечные и др.).
Растения содержат особую ткань – меристему, способную образовывать новые клетки. За счёт меристемы растения растут: появляются корни, листья, стебли, цветки. Они постоянно обновляют ткани растений, поэтому некоторые виды растений могут жить тысячи лет. В организмах примитивных животных (губки, актинии) есть подобная ткань, и они живут сравнительно долго.
Многие соматические клетки взрослого организма высших животных прекращают делиться: они не возобновляются, стареют и гибнут. Принято считать, что главная причина старения организма – утеря генетической информации. Молекулы ДНК постепенно повреждаются мутациями, что приводит к гибели клеток и всего организма. Повреждённые участки молекул ДНК способны восстанавливаться благодаря репаративным ферментам. Хотя их возможности ограниченны, но они играют важную роль в продлении жизни организма.
Стволовые клетки. Каждая клетка содержит генетическую информацию обо всем организме. Клетки органов животных, несмотря на то, что несут одинаковые гены, выполняют различные функции: одни формируют скелет, другие отвечают за иммунитет, третьи передают нервные импульсы. И из нервной клетки вряд ли удастся вырастить, например, клетку печени. Возникает вопрос: существуют ли такие клетки, из которых можно было бы воссоздать какой-нибудь орган человека или животного? Поиск ответа на этот вопрос продолжался не один десяток лет, и в конце прошлого века удалось извлечь подобные клетки из организма человека. Их назвали стволовыми клетками. С того времени их исследование привлекает внимание многих учёных.
Стволовая клетка сравнительно молодая, незрелая и способна превратиться в любую клетку, например в клетку печени или мышц. От неё, как от ствола дерева, отходят ветви, на которых зарождаются другие клетки. Такие удивительные превращения обеспечивают молекулы вещества, называемого фактором роста. В зависимости от того, какой фактор роста вводится в питательную среду, в таком направлении и начинается превращение и дальнейшее развитие клетки.
Больше всего стволовых клеток содержится в человеческом зародыше. После рождения их число в организме постепенно уменьшается. Чем взрослее человек, тем их меньше. Но и в организме взрослого они есть, к примеру, в костном мозге. Находящиеся там стволовые клетки при определённых условиях способны превращаться в клетки крови.
Стволовые клетки обладают уникальным свойством – после выделения из организма они могут неограниченно размножаться, обретая тем самым признаки бессмертия. Поэтому такие клетки можно выращивать в лаборатории и превращать их с помощью факторов роста в любые другие клетки организма. Таким образом, появляется шанс вырастить в пробирке, например, нервные клетки, чтобы заменить разрушенные нейроны головного мозга или культивировать клетки печени, чтобы оздоровить больной организм.
В последние годы исследованием стволовых клеток, часто называемых чудо-клетками, занимаются учёные многих стран мира. Однако лечение многих болезней и тем более омолаживание организма с помощью стволовых клеток остаются пока нерешёнными задачами, и в медицинской практике известны случаи, когда подобные вмешательства в организм человека ускоряли летальный исход.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 3-е изд. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков Степан Харланович
