Клеточный уровень организации жизни: что он из себя представляет?
Клетка - фундаментальная структурно-функциональная единица всех живых организмов. Изучение клетки позволяет приоткрыть завесу тайны над величайшим чудом природы - самой жизнью. Давайте заглянем в микромир клетки и узнаем, как устроен этот удивительный микрокосмос, управляющий нашим существованием.
Первые шаги в изучении клетки
В далеком 1665 году английский ученый Роберт Гук, изучая срезы пробки под микроскопом, обнаружил, что пробка состоит из множества пустотелых камер. Эти камеры Гук назвал клетками (от латинского cellula - камера, клетка).
Я наблюдал тончайшее сечение пробки и увидел, что оно весьма состоит из пор, которые располагались в порядке, наподобие сотовых ячеек.
Однако Гук еще не понимал истинной природы клетки. Первооткрывателем клетки как структурной единицы организмов по праву считается нидерландский ученый Антони ван Левенгук. В 1674 году, изучая с помощью своих линз каплю воды, он рассмотрел движущиеся организмы, которые впоследствии были названы инфузориями. Левенгук писал:
Я видел крупинки, большие и малые, которые двигались самым удивительным и прихотливым образом. Некоторые крутились на одном месте, подобно колесу, которое вертится на оси, другие скользили взад и вперед, а третьи прыгали, подобно рыбке, называемой плотвой.
Тем самым Левенгук открыл существование одноклеточных организмов. В дальнейшем благодаря работам Матье Шлейдена, Теодора Шванна и Рудольфа Вирхова была сформулирована клеточная теория - положение о том, что клетка является элементарной структурной и функциональной единицей всех живых организмов.
Устройство клетки: биологические нанотехнологии
Хотя клетки и микроскопичны по размерам, их внутреннее строение чрезвычайно сложно и многообразно. Рассмотрим основные структурные компоненты клетки.
Клеточная мембрана
Поверхность клетки выстлана клеточной мембраной - эластичной полупроницаемой оболочкой, отгораживающей внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Она контролирует поступление питательных веществ в клетку и удаление продуктов жизнедеятельности. Клеточная мембрана защищает клетку и придает ей определенную форму.
Цитоплазма
Внутри клеточной мембраны находится цитоплазма - вязкая полужидкая субстанция, заполняющая весь объем клетки. Это своего рода «живая плазма» - место, где протекают все процессы жизнедеятельности клетки. В состав цитоплазмы входят растворенные органические и неорганические вещества, а также органоиды - специализированные внутриклеточные структуры, выполняющие определенные функции.
Ядро
В клетках эукариот имеется ядро - округлое образование, окруженное двойной мембраной. Ядро является хранилищем наследственного материала клетки - молекул ДНК, содержащих генетический код. В ядре также происходит считывание информации с молекул ДНК и на ее основе синтезируется РНК, необходимая для работы всей клетки. Внутри ядра обычно есть одно или несколько ядрышек, состоящих из РНК и белков и участвующих в сборке рибосом - "заводов" по производству белков клетки.
Таким образом, клетка представляет собой удивительный микромир, состоящий из множества взаимосвязанных структур. Как миниатюрная фабрика, клетка функционирует слаженно и скоординировано, выполняя свои химические процессы и реагируя на окружающую среду.
Крошечные машины внутри клетки
Клеточные органоиды выполняют специфические функции, необходимые для жизни. Давайте познакомимся с некоторыми из них.
Митохондрии
Эти органоиды имеют форму вытянутых цилиндрических мешочков. Их часто называют "энергетическими станциями клетки", так как в митохондриях происходит окислительное фосфорилирование - процесс высвобождения энергии из органических веществ с образованием АТФ - универсального носителя энергии. Митохондрии поистине микроскопические энергетические установки!
Рибосомы
Это небольшие шаровидные частицы диаметром 15-30 нанометров. Они состоят из РНК и белка. Рибосомы "прикрепляются" к цистернам эндоплазматической сети или свободно плавают в цитоплазме. Основная функция рибосом - синтезировать белки на матрице информационной РНК по принципу комплементарного спаривания нуклеотидов. Рибосомы - это своеобразные нанороботы, производящие белки в промышленных масштабах!
Жизнедеятельность клетки
Рассмотренные выше структуры клетки работают согласованно, обеспечивая все процессы, необходимые для поддержания жизни. Давайте познакомимся с некоторыми из них.
Обмен веществ и энергии
В клетке непрерывно протекают химические реакции, в ходе которых органические и неорганические вещества превращаются друг в друга. Это позволяет клетке получать энергию, строительный материал и выводить продукты распада. Обмен веществ обеспечивает все остальные функции клетки.
Белковый синтез
Одним из важнейших процессов является синтез белка на рибосомах. Матрица для этого берется из ядра в виде информационной РНК. В результате образуются сотни типов белков - ферментов, гормонов, антител и прочее, которые и определяют "лицо" данного типа клеток.
Цитоплазма в клетке находится в постоянном хаотичном движении, которое называется цитозом. Перемещаются и органоиды внутри клетки. Это движение помогает распределять питательные вещества и удалять отходы жизнедеятельности.
Деление клетки
Когда клетке необходимо размножиться, происходит деление клетки - митоз. Сначала удваивается генетический материал, затем клетка распадается на две дочерние клетки, каждая из которых получает полный набор хромосом.
Дифференцировка и специализация
Изначально все клетки организма имеют одинаковый набор генов. Но в процессе развития они специализируются - дифференцируются в определенном направлении. Так появляются разные типы тканей организма.
Клетки-великаны
Существуют гигантские по размерам специализированные клетки. Например, у человека нервные клетки (нейроны) имеют отростки длиной до 1 метра! А мышечные клетки могут достигать 10-12 сантиметров. Такие размеры позволяют этим специализированным клеткам эффективно выполнять свои функции.
Коммуникация между клетками
Клетки в организме не изолированы, а тесно взаимодействуют друг с другом. Это происходит с помощью прямых контактов, через щели в мембранах и при участии химических посредников. Такая координация позволяет клеткам объединяться в ткани и регулировать жизнедеятельность всего организма.
Нарушения на клеточном уровне организации жизни
Если в клетках происходят повреждения, это приводит к развитию патологических процессов и болезней. Например, мутации ДНК могут запускать неконтролируемое деление клеток. Нарушения обмена веществ ведут к накоплению токсинов. Отказ механизмов регуляции провоцирует беспорядочный рост тканей. Понимание причин таких нарушений помогает бороться с опасными заболеваниями.
Перспективы изучения микромира
Чем глубже мы познаем устройство и организации клетки, тем больше открывается удивительных тайн уровня жизни. Современные методы позволяют заглянуть в самые потаенные уголки этого микроскопического мира и понять законы его существования. А знания о процессах, протекающих на клеточном уровне организации жизни, дают нам власть влиять на эти процессы и использовать их на благо человечества.