§ 17 Что такое жизнь?

Если серьёзно задуматься над вопросом, сформулированным в названии параграфа, то окажется, что ответить на него весьма непросто. В практической жизни мы легко отличаем живое от неживого. При этом мы часто, даже если это и неоправданно, склонны приписывать живым организмам качества, свойственные человеку. Например, известно такое выражение: «Он такой добрый человек, что даже мухи не обидит». То есть предполагается, что муху можно обидеть! Вы когда– нибудь видели обиженную муху? Думаю, что нет. Тем не менее мы знаем, что муха живая, а следовательно, ей может быть присуще такое человеческое чувство, как обида. В то же время никто не скажет «он компьютер не обидит», хотя по своим внешним, «интеллектуальным» проявлениям компьютер гораздо сложнее мухи. Но он неживой, а следовательно, по нашему мнению, не может ничего чувствовать. Человеку, портящему компьютер, могут быть предъявлены только материальные претензии, в то время как тот, кто мучает собаку, крысу и даже лягушку или рыбу, может заслужить моральное осуждение.

Но всё это – рассуждения на бытовом уровне. А как обстоит дело с научной точкой зрения по этому вопросу? Дать однозначное определение понятия «жизнь» практически невозможно. Поэтому мы просто перечислим основные свойства, присущие живым организмам.

Прежде всего, напомним, что все живые системы являются открытыми, т. е. они обмениваются с внешней средой веществом и энергией. Из этого и вытекают некоторые их свойства.

Питание

Все живые организмы, будучи открытыми системами, должны поглощать из окружающей среды вещество, т. е. питаться. По типу питания организмы делятся на гетеротрофные, которым для питания требуются органические вещества, и автотрофные, которые питаются веществами неорганическими. Гетеротрофные организмы – это все животные, грибы и большинство бактерий. Они могут быть хищниками, убивающими и поедающими своих жертв; паразитами, живущими за счёт других организмов, но не убивающими их; сапрофитами или сапрофагами (к ним, например, относят бактерии гниения), питающимися веществами уже умерших организмов.

Автотрофными организмами являются растения и некоторые виды бактерий. Они поглощают из окружающей среды неорганические вещества, такие как вода, углекислый газ и минеральные соли, и производят из них органические соединения, используя для этого энергию света (фотосинтетики) или энергию окислительно-восстановительных химических реакций (хемосинтетики). Иногда, хотя и очень редко, встречаются миксотрофные организмы, способные к обоим типам питания.

Дыхание

Поскольку живые организмы представляют собой открытые системы, они также должны обмениваться с окружающей средой энергией. Как нам известно, получение энергии в виде тепла является малоэффективным, так как большая часть такой энергии представляет собой связанную энергию. Поэтому основную часть необходимой для их жизнедеятельности энергии живые организмы получают, разлагая сложные органические соединения до более простых, в конечном счёте – до воды и углекислого газа. Этот процесс называют дыханием. Он свойственен как гетеротрофным, так и автотрофным организмам. Различие между ними состоит только в том, что гетеротрофные организмы получают органические вещества в готовом виде, а автотрофные сначала синтезируют органические вещества, а уж затем расщепляют их с выделением энергии.

Большинству организмов для полноценного дыхания необходим кислород, который они получают из атмосферы. Такие организмы называются аэробными (от греч. «аэр» – воздух). Поэтому часто мы используем слово «дыхание» для обозначения газообмена между организмом и внешней средой. С научной точки зрения этот этап называют внешним дыханием, в отличие от клеточного дыхания, которое описывает процесс разложения органических веществ с выделением энергии. Существует ещё и анаэробное дыхание, не требующее кислорода. Им обладают некоторые бактерии и паразитирующие черви. Анаэробное дыхание является менее эффективным, чем аэробное. Оно часто протекает по типу брожения, в результате которого образуются не вода и углекислый газ, а некоторые органические соединения. Примером может служить молочнокислое или спиртовое брожение.

Выделение

В процессе дыхания многие органические соединения, а также соли различных металлов становятся бесполезными и даже вредными для организма и поэтому организм должен от них постоянно избавляться. Процесс выведения уже использованных и более ненужных организму веществ называют выделением. У всех животных существуют специальные выделительные системы, которые имеют различное строение – от выделительных вакуолей (у амёбы) до почек (у позвоночных). Через эту систему отработанные и вредные вещества выводятся обычно в виде водных растворов. У растений специальной выделительной системы нет, поэтому они избавляются от накопившихся вредных соединений различными способами, например сбрасывают листья. У некоторых животных с небольшой продолжительностью жизни существуют так называемые «почки накопления», где вредные вещества откладываются и изолируются от остального организма на весь короткий срок жизни животного.

Размножение

Размножение – это одно из самых загадочных природных явлений, присущее всем живым организмам. Суть его заключается не только в создании новых организмов, похожих на родительские, но и в том, что эти организмы каждый раз начинают свою жизнь сначала. Всем известно, что каждый отдельный организм со временем стареет и в конце концов умирает, однако жизнь в целом не только бессмертна, но и способна к прогрессивному эволюционному усложнению. Способность передавать в процессе размножения свои признаки потомству называют наследственностью. Изменчивость – свойство, противоположное наследственности; способность живых организмов существовать в различных формах, т. е. приобретать новые признаки, отличные от качеств других особей того же вида.

Рост и развитие

Непосредственным следствием размножения является способность живых организмов к росту. Некоторые виды животных и растений растут в течение всей своей жизни, другие прекращают рост при достижении определённого возраста. Основой роста служит деление составляющих организм клеток. Рост организма неизбежно сопровождается его развитием: организм приспосабливается к условиям окружающей среды, изменяются соотношение размеров различных органов и прочие признаки. В процессе развития возникает дифференцировка клеток: некоторые клетки перестают делиться и начинают выполнять узкие, специфические только для них функции, например нервные, мышечные и другие виды клеток.

Подвижность

Все живые организмы способны в той или иной степени изменять своё положение в пространстве, т. е. обладают подвижностью. Подвижность свойственна не только высшим животным, где она очевидна, но и многим простейшим, имеющим для этой цели реснички и жгутики, а также растениям, у которых она проявляется в виде тропизмов – движений относительно источника света, земного притяжения и других факторов (рис. 37, 38).

Раздражимость

Это явление можно считать самым фундаментальным отличием живого от неживого. Раздражимость – это способность реагировать на внешние воздействия в соответствии не столько с физической природой этих воздействий (раздражителей), сколько со своей организацией и внутренними особенностями.

Рис. 37. Движение растений (тропизмы): А – свет; Б – температура; В – прикосновение; Г – сила гравитации

Рис. 38. Движение животных

Если реакция неживых предметов на внешние воздействия определяется законами физики, то реакция живых организмов будет осуществляться в соответствии с потребностями этих организмов. Если, например, мы возьмём две капли воды, соединённые узким перешейком, добавим в одну из капель немного соли и поместим туда пресноводную инфузорию, то она будет двигаться по перешейку в сторону капли с пресной водой. Если же мы проделаем этот опыт с морской инфузорией, то увидим, что она будет совершать перемещение в обратном направлении, предпочитая солёную воду. Это означает, что одно и то же физическое воздействие может противоположно воздействовать на организмы с различными биологическими потребностями.

Проверьте свои знания

1. Что такое питание? Какие типы питания живых организмов вы знаете?

2. Сравните аэробное и анаэробное дыхание. В чём их сходство и различия? Почему они получили такие названия?

3. Чем развитие организма отличается от его роста?

4. Дайте определение понятия «тропизмы». Рассмотрите рисунок 37. Используя знания, полученные на уроках биологии, объясните, что является причиной тропизмов, изображённых на рисунке.

5. Используя рисунок 38, проанализируйте особенности движения позвоночных животных.

6. Что такое раздражимость?

7. Опираясь на знания, полученные на уроках биологии, приведите примеры миксотрофных организмов.

Задания

1. Исследуйте процесс сапрофитного питания. Для этого положите в стеклянный сосуд кусочек мяса, рыбы или какого-нибудь фрукта. Ежедневно наблюдайте происходящие изменения. Объясните полученные результаты.

2. Проведите исследование подвижности у растений. Сфотографируйте стоящий на подоконнике цветок. Переверните его на 180° и через несколько дней сфотографируйте снова. Сравните обе фотографии и отметьте различия.

 

§ 18 Клетка – элементарная единица жизни

Открытие и изучение клеток

В настоящее время известно, что все живые организмы (кроме вирусов, о которых будет сказано позже) состоят из клеток. Впервые клетки обнаружил в 1665 г. английский учёный Роберт Гук (1635–1703). Рассматривая в микроскоп тонкие срезы пробки, он обнаружил, что она состоит из мелких изолированных фрагментов, которые он назвал «cell», что по-английски означает «ячейка», но также и «тюремная камера», «монастырская келья» и «клетка для содержания зверей» (рис. 39). Гук использовал это слово в первом значении, но переводчик понял его по-своему, и в русский язык структурная единица живого организма вошла под широко известным и употребляемым названием «клетка». По-гречески клетка называется «цитос», поэтому наука, занимающаяся изучением строения и жизнедеятельности клеток, называется цитологией.

Открытие Гука в течение долгого времени не получало широкой популярности, потому что существующие в то время несовершенные микроскопы не позволяли оценить всей сложности строения живой клетки. Микроскоп, использованный Гуком, позволял увидеть только толстые клеточные стенки пробки. В дальнейшем были обнаружены клетки с более тонкими оболочками, в частности открытые Левенгуком клетки простейших одноклеточных животных. Постепенно сложилось представление о том, что живые организмы имеют ячеистое строение и состоят как бы из отдельных «капель», которые считали «пузырьками, наполненными питательным соком», однако получить достаточное представление об особенностях их внутреннего устройства не представлялось возможным.

Рис. 39. Микроскоп Роберта Гука и сделанный им рисунок микроскопической структуры тонкого среза пробки

По-настоящему исследование биологической клетки началось только в XIX в. с развитием микроскопической техники. В начале этого века французский исследователь Мирбель установил, что все растения состоят из тканей, образованных клетками, а в 1809 г. Ламарк распространил это положение и на животных. В 1825 г. чешский учёный Я. Пуркине открыл ядро яйцеклетки птиц, а в 1833 г. английский ботаник Р. Броун обнаружил в растительных клетках плотное образование, за которым закрепилось название ядро (по лат. – «нуклеус», по греч. – «карион»). Начиная с этого времени внимание исследователей было обращено на изучение внутреннего содержимого клеток.

Клеточная теория

В конце 30-х гг. XIX в. немецкие исследователи – ботаник Матиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн сформулировали клеточную теорию, суть которой заключалась в том, что все растения и животные состоят из сходных по строению клеток. В 1858 г. немецкий биолог Рудольф Вирхов дополнил эту теорию ещё одним положением, доказав, что все клетки организма образуются только в результате деления исходных материнских клеток.

Перечислим основные положения современной клеточной теории.

1. Клетка – основная, обязательная и наименьшая единица всех живых организмов. Все живые организмы состоят из клеток.

2. Клетки всех организмов сходны по своему химическому составу и общему плану строения.

3. Увеличение числа клеток происходит только путём деления исходных (материнских) клеток.

Рис. 40. Многообразие одноклеточных организмов: А – амёба обыкновенная; Б – зелёные водоросли; В – радиолярия; Г – солнечник

4. Универсальное клеточное строение живых организмов свидетельствует о том, что все они имеют единое происхождение.

Развитие цитологии позволило в очень скором времени установить, что как животные, так и растительные клетки содержат в себе, помимо ядра и окружающей его полужидкой среды, многочисленные структурно-функциональные образования – органоиды.

Многообразие клеток

Каждая отдельная клетка может обладать всеми функциями живого, т. е. представлять собой самостоятельную живую систему. Клетка может быть самостоятельным организмом, полностью обеспечивающим все необходимые для её жизни потребности. Такие организмы называют одноклеточными (рис. 40). К ним относятся все бактерии, а также многие растения, грибы и животные.

В многоклеточных организмах клетки объединяются в целостную систему. В этом случае между отдельными клетками существует «разделение труда», а для поддержания жизнедеятельности целого организма они объединяются в ткани, органы и системы органов, выполняющие специфические для них функции (рис. 41). Например, в организмах содержатся половые клетки – гаметы, специфической функцией которых является размножение. Другие клетки, называемые соматическими, выполняют разные функции: они переносят кислород (эритроциты), осуществляют движения (мышечные клетки), передают сигналы (нервные клетки) и т. д.

Рис. 41. Многообразие клеток человека: А – клетка костной ткани; Б – клетка жировой ткани; В – эпителиальные клетки щеки; Г – клетки щитовидной железы

Размеры клеток варьируют от одного микрометра до нескольких сантиметров. Форма клеток тоже может быть очень разнообразной: они могут иметь форму шара или диска, представлять сложные разветвлённые образования, быть кубическими, веретеновидными и пр. Несмотря на то что основные химические соединения, содержащиеся во всех клетках, одинаковы, некоторые клетки могут вырабатывать вещества, характерные только для них. Так, клетки растений, способные к фотосинтезу, образуют хлорофилл, некоторые клетки растений и животных производят токсины – яды, опасные для других растений, животных, а иногда и для человека.

Проверьте свои знания

1. Кто и когда впервые обнаружил существование растительной клетки?

2. Сформулируйте основные положения современной клеточной теории.

3. Приведите примеры одноклеточных и многоклеточных организмов.

4. Как вы считаете, чьё строение будет более сложным – клетки одноклеточного организма или специализированной клетки многоклеточного организма? Докажите свою точку зрения.

Задания

Из курса «Человек и его здоровье» вспомните, какие типы клеток, входящих в состав различных органов, вам известны. Опишите особенности их строения и назовите функции, которые они выполняют в организме.

 

§ 19 Химический состав клетки

Неорганические вещества

Основным химическим веществом, содержащимся в живой клетке, является вода. Взрослый человек более чем на 60 % состоит из воды. У эмбрионов и детей эта доля ещё больше. Вода является необходимым веществом для любых форм жизнедеятельности. Главная её особенность – способность хорошо растворять в себе многие вещества, в том числе сахара, спирты, аминокислоты и соли, которые при этом распадаются на ионы. Вещества, хорошо растворимые в воде, называют гидрофильными (от греч. «гидро» – вода и «филео» – любовь). Практически все химические реакции в клетке протекают в водных растворах. Однако в воде растворяются не все вещества. Например, жиры, некоторые белки и нуклеиновые кислоты в воде нерастворимы. Такие вещества называют гидрофобными (от греч. «гидро» – вода и «фобос» – боязнь). В водной среде организма присутствуют в виде ионов многие неорганические соли. Основными катионами (положительно заряженными ионами) являются ионы калия, натрия, кальция и магния, а среди анионов преобладают ионы соляной, угольной, фосфорной и азотной кислот.

Органические вещества

Главными органическими соединениями, играющими ключевую роль в живой клетке, являются нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и жиры. Их строение вам уже известно. Давайте теперь поговорим о функциях, которые они выполняют в организме.

ДНК служит хранилищем наследственной информации (рис. 42). В ней записана инструкция о построении будущего организма. В этой инструкции сказано, к какому виду принадлежит данный организм, где будут расположены все его органы и как они будут работать.

Рис. 42. Образование водородных связей между комплементарными основаниями двух цепей ДНК

Рис. 43. Строение молекулы РНК

Во взрослом организме ДНК также продолжает контролировать всю деятельность его клеток, определяя, какие именно белки и в каком количестве требуются в данный момент. Для этого на ДНК синтезируется информационная РНК (иРНК). Строится она по тому же принципу, по которому происходит самоудвоение ДНК, с той только разницей, что против аденина становится не тимин, а урацил (рис. 43). Кроме того, в отличие от ДНК, РНК является одноцепочечной молекулой. Последовательность нуклеотидов в молекуле РНК определяет последовательность аминокислот в будущем белке. Такой синтез называют матричным (РНК строится на матрице ДНК). Подробнее о процессе синтеза белка будет рассказано в одном из следующих параграфов.

Функции белков в клетке чрезвычайно разнообразны. Многие из них являются ферментами , т. е. катализаторами биологических реакций. Мы уже знаем, что химические катализаторы способны во много раз увеличивать скорость химических реакций. Эффективность ферментов в этом отношении является рекордной: если небелковые катализаторы способны ускорять реакции самое большее в несколько тысяч раз, то под влиянием ферментов скорость реакций возрастает в миллиарды раз. Вещества, на которые действуют ферменты, называют субстратами (рис. 44). При этом некоторые ферменты (их называют протеолитическими) расщепляют субстрат, «разрывая» его на две или более частей (так, например, действуют пищеварительные ферменты), а другие, наоборот, соединяют различные вещества, образуя из них более сложное соединение.

Рис. 44. Схема образования комплекса «фермент – субстрат»

Белки в организме выполняют также много других жизненно необходимых функций. Одной из этих функций является защитная. Она заключается в том, что при попадании в организм возбудителя какой– либо болезни или вредного вещества организм начинает вырабатывать специфические белки – антитела, которые способны связывать и уничтожать вредное чужеродное вещество. Кроме того, защитная функция белков проявляется также в их участии в свёртывании крови, благодаря чему происходит остановка кровотечения при травмах. Белки выполняют транспортную функцию, например гемоглобин транспортирует кислород, а белки, встроенные в клеточную мембрану, переносят различные соединения в клетку или из неё (рис. 45).

Рис. 45. Строение молекулы гемоглобина

Специальные сократительные белки находятся в мышцах, именно при их непосредственном участии осуществляются все произвольные и непроизвольные движения. Многие белки и небольшие цепочки аминокислот (пептиды) могут выполнять регуляторные функции в организме, например белком является гормон роста.

При необходимости белки могут быть использованы и в качестве источника энергии, хотя это происходит только в крайних случаях при нехватке других веществ. Из-за того, что белки выполняют в организме множество жизненно важных функций, тратить их на производство энергии представляется расточительной роскошью – это всё равно, что топить печь мебелью.

Главные источники энергии в организме – это углеводы и жиры. Углеводы, в основном глюкоза, обеспечивают основную потребность в энергии. Кроме того, велика роль углеводов в построении различных структур организма. Так, из клетчатки (целлюлозы) состоят клеточные стенки растительных клеток. Хитин входит в состав клеточных стенок грибов и внешних покровов членистоногих животных.

Нейтральные жиры, помимо непосредственной энергетической функции, играют также запасающую роль в организме. Именно они откладываются под кожей и на внутренних органах при избыточном питании, когда потребление питательных веществ превышает их расход. Кроме того, жиры способствуют защите животных от переохлаждения (вспомним толстый подкожный жировой слой у китов и тюленей, позволяющий им обитать в ледяной морской воде) и от механических повреждений. Некоторые жироподобные вещества выполняют в организме функции гормонов. Фосфолипиды входят в состав всех клеточных мембран, регулируя их проницаемость.

Проверьте свои знания

1. Что такое гидрофильные и гидрофобные вещества?

2. Используя дополнительные источники информации, составьте и заполните таблицу «Ионы и их значение в живом организме».

3. Перечислите функции белков в организме.

4. Какие структуры в растительном и животном организмах образованы углеводами?

Задания

1. Фрагмент РНК имеет строение: АУУЦГАЦЦУГ. Какова последовательность нуклеотидов на отрезке матрицы ДНК, где он был построен?

2. Вспомните из курса «Человек и его здоровье», какие белки участвуют в свёртывании крови.

 

§ 20 Эукариотические клетки

Несмотря на то что все организмы состоят из клеток и все клетки сходны по своему химическому составу, среди них можно выделить две довольно чётко различающиеся группы: эукариотические и прокариотические клетки. Все животные, растения и грибы состоят из эукариотических клеток (от греч. «эу» – настоящий, правильный и «карион» – ядро) (рис. 46). Главным отличием такой клетки от прокариотической является наличие клеточного ядра.

Мембрана

Каждая клетка окружена плазматической мембраной (рис. 47). Основу мембраны составляет двойной слой молекул жироподобных веществ – фосфолипидов. Как известно, жиры – гидрофобные соединения, поэтому такая мембрана затрудняет прохождение в клетку хорошо растворимых в воде веществ, в том числе некоторых солей. Кроме того, в состав плазматической мембраны обязательно входят белки, одни из которых находятся на её внешней стороне, другие – на внутренней, а третьи пронизывают мембрану насквозь. Мембранные белки играют очень важную роль в деятельности клетки. Некоторые из них являются рецепторами, с помощью которых клетка реагирует на различные воздействия. Белки, пронизывающие мембрану, часто образуют каналы, через которые проходят различные ионы и другие вещества, в том числе и хорошо растворимые в воде.

В некоторых клетках мембрана способна впячиваться, затягивая в клетку питательные вещества. Так, например, питаются амёбы, лейкоциты поглощают бактерии. Это явление называют эндоцитозом. Обратный процесс, при котором вещества через мембрану выводятся из клетки, называют экзоцитозом.

Рис. 46. Строение эукариотической клетки

Рис. 47. Строение мембраны

Ядро

Ядро служит хранилищем наследственной информации и регулирует основные процессы, протекающие в клетке. Чаще всего клетка содержит только одно ядро, однако в некоторых случаях их может быть два, а иногда и гораздо больше. По форме ядро обычно является шаровидным, хотя встречаются ядра и более сложной формы. Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран и имеющей крупные поры. Через поры проходят большие молекулы РНК и белков.

Рис. 48. Организация генетического материала в клетке

Жидкое содержимое ядра называют кариоплазмой. В кариоплазме находится одна или несколько мелких уплотнённых структур – ядрышек – и хроматин . Хроматин – это соединение ДНК со специальными белками (рис. 48). Белки, во-первых, выполняют функции ферментов, а во-вторых, «упаковывают» ДНК, переводя её в скрученное состояние. Дело в том, что если молекулу ДНК растянуть, она окажется огромной по сравнению с размерами ядра клетки. Суммарная длина всех молекул ДНК в ядре соматической клетки превышает 1 м, в то время как размер ядра не больше нескольких микрометров. Поэтому, для того чтобы разместиться внутри ядра и не запутаться, каждая молекула ДНК поддерживается специальными белками (гистонами), которые служат её «крепёжным материалом».

Молекулы ДНК в скрученном состоянии называют хромосомами. Число молекул ДНК во всех клетках определённого вида живых организмов всегда строго одинаково. В соматических клетках каждая хромосома имеет свою пару, т. е. такая клетка содержит двойной набор одинаковых хромосом. Такой набор называют диплоидным, а хромосомы, имеющие одинаковые размеры и форму, называют гомологичными (рис. 49). В соматических клетках человека содержится 46 хромосом, т. е. 23 пары. В половых клетках (гаметах) число хромосом вдвое меньше, чем в соматических. Такой «половинный» набор называют гаплоидным. Во время оплодотворения отцовская и материнская гаплоидные гаметы сливаются, их хромосомные наборы объединяются и образуется клетка с диплоидным набором (зигота). Из этой клетки путём деления образуются все клетки нового развивающегося организма.

Рис. 49. Диплоидный набор хромосом человека: А – женщины, Б – мужчины

У мужчин и женщин 22 пары хромосом одинаковы. Такие хромосомы называют аутосомами. 23-я пара – это половые хромосомы, они могут быть двух видов, называемых X и Y. Все яйцеклетки женщины содержат X-хромосому, а в сперматозоидах может находиться либо X-, либо Y-хромосома. Пол будущего ребёнка зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку: если несущий Y-хромосому – будет мальчик с набором половых хромосом XY, а если с X-хромосомой – девочка с набором XX.

Цитоплазма. Органоиды

Между ядром и наружной мембраной находится цитоплазма. В её студенистой среде расположены органоиды – структуры, выполняющие в клетке различные функции. Существуют одномембранные, двухмембранные и немембранные органоиды. Рассмотрим сначала строение одномембранных органоидов.

Вся цитоплазма пронизана сложной сетью микроскопических трубочек и полостей – эндоплазматической сетью (ЭПС). ЭПС связана и с наружной плазматической мембраной, и с внешней мембраной ядерной оболочки. На поверхности ЭПС происходит синтез многочисленных биологически активных веществ. Существуют участки ЭПС, на каналах которой расположены рибосомы – немембранные органоиды, синтезирующие белок. Такие участки называют шероховатой ЭПС. В гладкой ЭПС, где нет рибосом, синтезируются многие углеводы и липиды. Продвигаясь по каналам, вещества могут менять свою структуру, объединяться в комплексы и приобретать биологическую активность. В конце концов готовые вещества поступают в систему внутриклеточных полостей и цистерн, которую называют комплексом или аппаратом Гольджи. Это своеобразный сортировочный и упаковочный цех, где вещества упаковываются в мембранные пузырьки и либо перемещаются в ту часть клетки, где они необходимы, либо выводятся за пределы клетки (рис. 50).

Рис. 50. Строение и функционирование аппарата Гольджи и принцип работы лизосомы

Важной функцией комплекса Гольджи служит образование лизосом – органоидов, служащих для переваривания попавших в клетку питательных веществ. Лизосома – это одномембранный пузырёк с ферментами. Когда клетка захватывает питательные вещества, то пищеварительная вакуоль сливается с лизосомой и происходит переваривание. В некоторых случаях лизосомы активизируются, выделяют своё содержимое в цитоплазму и переваривают саму клетку. Так, например, происходит во время превращения головастика во взрослую лягушку. Хвост головастика при этом не отваливается, а переваривается лизосомами. Образующиеся при этом питательные вещества усваиваются другими клетками.

ЭПС, комплекс Гольджи и лизосомы – это одномембранные органоиды. Двухмембранными органоидами являются митохондрии и пластиды. Митохондрии присутствуют во всех эукариотических клетках. Они запасают энергию, поэтому их часто называют «энергетическими станциями» клетки. Число митохондрий в клетке зависит от её потребности в энергии и может меняться от нескольких штук до нескольких тысяч.

Пластиды присутствуют только в клетках растений. Хлоропласты содержат зелёный пигмент хлорофилл, благодаря которому происходит фотосинтез. В клетке листа растения содержится обычно несколько десятков хлоропластов. В хромопластах вместо хлорофилла находятся пигменты красно-оранжевого цвета, которые определяют окраску цветов, плодов и осенних листьев. Третья разновидность пластид – бесцветные лейкопласты выполняют запасательную функцию.

Строение митохондрий и пластид схоже. И те и другие имеют две мембраны: внешнюю гладкую и внутреннюю, образующую складки. В мембранах этих складок, которые в митохондриях называются кристами, а в хлоропластах – тилакоидами, происходят основные процессы энергетического обмена и фотосинтеза. Митохондрии и пластиды называют полуавтономными органоидами. Они имеют собственные ДНК, рибосомы и способны размножаться делением. Существует мнение, что митохондрии и пластиды когда-то были самостоятельными прокариотическими организмами, которые в процессе эволюции были захвачены другими прокариотами. Потеряв самостоятельность, они стали органоидами и перешли к обитанию внутри клеток.

Форму клетке помогает поддерживать опорная система, так называемый цитоскелет . Он состоит из микротрубочек, которые имеют диаметр около 20 нм и пронизывают всю цитоплазму. Микротрубочки образуются в органоиде, называемом клеточным центром. Клеточный центр состоит из двух частиц – центриолей – и играет важную роль в процессе клеточного деления.

Некоторые клетки имеют органоиды для передвижения – жгутики и реснички. Жгутик обычно один или их несколько, а число ресничек может доходить до нескольких тысяч. Жгутики вращаются как винты, а реснички, как вёсла, совершают постоянные гребки. Причём реснички есть только у животных, в то время как жгутики могут быть у клеток животных, растений и бактерий.

Проверьте свои знания

1. Расскажите, как устроена плазматическая мембрана. Изобразите схематично её строение.

2. Что представляет собой хроматин?

3. Сравните диплоидный и гаплоидный наборы хромосом.

4. Какие функции выполняют лизосомы?

5. Как вы считаете, когда число митохондрий и пластид в клетках увеличивается? Объясните свою точку зрения.

6. Как с эволюционной точки зрения можно объяснить наличие двух мембран у митохондрий и пластид?

7. Чем различаются жгутики и реснички? Вспомните из курса биологии, какие вам известны организмы, имеющие такие органоиды передвижения.

Задания

Составьте и заполните в тетради таблицу «Органоиды клетки: особенности строения и функции».

 

§ 21 Прокариотические клетки. Вирусы

Прокариоты

Самые древние организмы нашей планеты не имеют клеточного ядра и мембранных органоидов. Поэтому их называют прокариотами, т. е. доядерными или предъядерными. К прокариотам относят представителей царства дробянок, куда входят бактерии и цианобактерии (синезелёные водоросли). Наследственный материал прокариот представлен кольцевой молекулой ДНК, расположенной в цитоплазме (рис. 51). Эта молекула не образует комплекса с белками, её называют нуклеоидом.

Размеры прокариотических клеток обычно значительно меньше, чем эукариотических. В то время как величина первых обычно составляет десятки или сотни микрометров, а иногда достигает нескольких сантиметров, размеры прокариотических клеток редко превышают 10 мкм, а часто составляют всего около 0,2–0,3 мкм.

В клетках прокариот отсутствуют митохондрии и пластиды, ЭПС, лизосомы и аппарат Гольджи. Для тех процессов, в которых необходимо участие мембран, существуют мембранные складки непостоянной формы, называемые мезосомами. Синтез белка обеспечивают мелкие рибосомы. Прокариотическая клетка, так же как и эукариотическая, окружена плазматической мембраной, поверх которой находится плотная оболочка, построенная из полисахарида муреина.

Рис. 51. Строение прокариотической клетки

Над этой оболочкой часто располагается слизистая капсула. Многие прокариоты имеют жгутики, с помощью которых они передвигаются.

Рис. 52. Образование спор у бактерий

В неблагоприятных условиях многие бактерии способны образовывать споры (рис. 52). При этом они покрываются очень плотной оболочкой и прекращают свою жизнедеятельность. Когда же наступают благоприятные условия (а это может произойти через десятки, сотни, а иногда и через миллионы лет), спора вновь становится активно живущей бактерией.

Внешний вид прокариотических клеток не отличается большим разнообразием. В большинстве случаев это палочки, прямые или изогнутые, или шарики (рис. 53). Бактерии в виде палочек называют бациллами, а бактерии круглой формы – кокками . Существуют ещё вибрионы – короткие загнутые клетки, а также спиралевидные бактерии – спириллы и спирохеты.

Многие прокариоты являются аэробами, т. е. им для жизнедеятельности необходим кислород. Однако существуют и анаэробные бактерии, для которых кислород губителен. Это возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма. Обычно споры этих бактерий находятся в почве, где не проявляют признаков жизни. Попадая в благоприятные условия, споры активизируются, и бактерии начинают размножаться, выделяя при этом чрезвычайно опасные для человека токсины. Сильнейшим из известных ядов для человека является токсин ботулизма: его смертельная доза составляет менее 0,000001 г.

Рис. 53. Формы прокариотических клеток: А – цепочки кокков (стрептококки); Б – бациллы; В – спириллы

Отравление ботулизмом обычно происходит при употреблении недостаточно хорошо отмытых от почвы продуктов (огурцов, грибов), законсервированных в домашних условиях. Кипячение не убивает споры этого микроорганизма, а его последующее размножение в закупоренных без доступа воздуха сосудах приводит к образованию смертельного для человека токсина. Почти так же опасно отравление столбнячным токсином, возбудитель которого поступает в организм через загрязнённые раны.

По типу питания бактерии подразделяют на сапрофитов и паразитов. Первые – это в основном бактерии гниения. Они выполняют очень важную роль в биосфере, минерализуя органические остатки, т. е. превращая мёртвую органику в минеральные соли. Эти соли впоследствии используются растениями. Огромная роль в биосфере принадлежит также азотфиксирующим бактериям, способным улавливать из атмосферы газообразный азот и превращать его в соединения, которые тоже усваиваются растениями.

Другую группу составляют бактерии, паразитирующие на живых организмах, в частности на человеке. Некоторые из них вырабатывают токсичные вещества и могут вызывать такие опасные болезни, как туберкулёз, дизентерия, брюшной тиф, чума, холера, сибирская язва. В Средние века, когда ещё не существовало эффективных мер для обеззараживания продуктов и предметов быта и не было соответствующего лечения, от чумы или холеры иногда вымирали целые города.

Рис. 54. Деление прокариотической клетки

Прокариоты размножаются путём простого деления (рис. 54). ДНК нуклеоида удваивается, после чего клетка делится пополам в поперечном направлении. В благоприятных условиях бактериальная клетка делится каждые 20 минут. Иногда у бактерий наблюдаются примитивные виды полового процесса, при котором часть ДНК одной клетки переносится в другую клетку. В результате происходит пере комбинация генетического материала, что, в частности, приводит к увеличению устойчивости бактерий к неблагоприятным условиям, например к действию антибиотиков.

Вирусы

Существуют организмы, вообще не имеющие клеточного строения. Их называют вирусами (от лат. «вирус» – яд). Вирус состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), заключённой в белковую оболочку – капсид (рис. 55). Вирусы могут размножаться только внутри других, прокариотических или эукариотических, клеток, поэтому все они являются паразитами бактерий, растений, грибов или животных, включая человека.

Рис. 55. Вирусы: схемы строения и электронные фотографии

Вирусы, паразитирующие на бактериях, называют бактериофагами или просто фагами.

Малые размеры (от 30 до 500 нм) позволяют вирусам проникать через поры фильтров, которые обычно задерживают бактерии. Поэтому они и получили своё название, так как вначале было не ясно, являются возбудители ряда болезней организмами или ядами. Для размножения вирус должен проникнуть внутрь клетки. Иногда он входит в неё целиком – вместе с капсидом, а иногда, действуя подобно шприцу, впрыскивает через мембрану свою нуклеиновую кислоту, которая взаимодействует с генетическим аппаратом поражённой клетки (рис. 56). В результате клетка начинает производить те нуклеиновые кислоты и белки, которые требуются не ей, а вирусу. Образовавшиеся в клетке вирусы разрывают мембрану и начинают заражать соседние клетки. Для того чтобы избежать заражения, клетки способны синтезировать специальное вещество – интерферон.

Вирусные заболевания

Вирусы, так же как и бактерии, являются возбудителями многих болезней человека. Вирусными заболеваниями являются грипп, корь, ветряная оспа, краснуха, коклюш и др. Основная трудность лечения вирусных заболеваний заключается в том, что на вирусы не действуют антибиотики. К наиболее опасным вирусным заболеваниям относится натуральная (или, как её называли раньше, чёрная) оспа. От неё, так же как от чумы и холеры, раньше вымирали целые города. Резко снизить, а затем и вовсе уничтожить оспу удалось с помощью вакцинации.

В конце XVIII в. было обнаружено, что у лошадей и коров встречается болезнь, напоминающая человечью оспу, но протекающая в гораздо более лёгкой форме. Доярки часто перебаливали коровьей оспой и после этого не заражались натуральной. Обращал на себя внимание также интересный факт, что в кавалерии заболеваемость оспой была значительно ниже, чем в пехоте. Первые опыты по прививке оспы провёл английский врач Эдвард Дженнер (1749–1823) (рис. 57).

Рис. 57. Э. Дженнер

Прививая пациентам коровью оспу, он обнаружил, что после этого они становятся невосприимчивыми к оспе натуральной. С начала XIX в. прививка оспы стала повсеместной, после чего это заболевание резко пошло на убыль. Последний случай заболевания оспой был зарегистрирован в 1977 г. в Сомали. В настоящее время вирусы оспы существуют только в лабораториях.

ВИЧ

В 1983 г. был открыт вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), который вызывает синдром приобретённого иммунодефицита (СПИД). ВИЧ-инфицированные люди в течение долгого времени могут не обнаруживать симптомы болезни. Однако в определённый момент вирус начинает размножаться, заражая в первую очередь клетки, связанные с иммунной системой. Размножаясь в них, он поражает всё новые и новые клетки. В результате иммунитет человека уже не справляется с болезнями, обычно неопасными для людей с нормальной иммунной системой.

Не следует, однако, думать, что вирусы могут приносить человеку только вред. Бактериофаги, уничтожающие болезнетворных бактерий, часто используют в медицине для лечения инфекционных болезней.

Проверьте свои знания

1. Что представляет собой генетический аппарат прокариотических клеток?

2. Какую роль выполняют споры у бактерий? Чем споры бактерий отличаются от спор растений?

3. Какие вам известны бактериальные и вирусные заболевания?

4. Используя рисунок 55, опишите строение вируса.

5. Когда и кем были внедрены прививки против натуральной оспы?

6. Используя знания, полученные в курсе «Человек и его здоровье», объясните, чем различаются вакцина и сыворотка.

Задания

1. Составьте и заполните в тетради сравнительную таблицу «Строение эукариотической и прокариотической клетки», самостоятельно выделив критерии сравнения.

2. Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение на одну из тем: «Вирусы: история открытия», «Инфекционные заболевания: пути заражения и меры профилактики».

3. Создайте портфолио по теме «Роль вирусов в жизни организмов и эволюции органического мира на Земле».

 

§ 22 Энергетический обмен

Как вам уже известно, любой процесс требует затраты энергии. При её отсутствии увеличивающаяся энтропия приведёт к полному хаосу внутри системы и сделает невозможной любую работу.

Рис. 58. Строение молекулы АТФ

Для живой клетки это особенно важно. Клетка обладает такой высокой упорядоченностью своих структур, требует такой определённой концентрации веществ в каждой своей части, что - малейшее беспорядочное движение может её разрушить. Кроме того, в клетке постоянно происходит синтез необходимых ей веществ. Этот процесс называют пластическим обменом или ассимиляцией, он тоже требует больших затрат энергии. Поэтому клетке требуется постоянный приток свободной энергии. Откуда же она берётся?

Практически все энергетические потребности клетки обеспечиваются одним-единственным процессом – распадом молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ – это нуклеотид, содержащий азотистое основание аденин, пятиуглеродный сахар (рибозу) и три остатка фосфорной кислоты(рис. 58). В молекуле АТФ связи между остатками фосфорной кислоты обладают очень высокой энергией, поэтому их называют макроэргическими (от греч. «макрос» – большой и «эргон» – деятельность, работа). При разрыве этих связей выделяется большое количество энергии, которая и используется клеткой. Как правило, отщепляется только одна молекула фосфорной кислоты:

АТФ → АДФ + HPO-4 + энергия,

где АДФ – аденозиндифосфорная кислота. В некоторых случаях, когда требуется особенно много энергии, могут отщепляться сразу две молекулы фосфорной кислоты.

Для поддержания жизнедеятельности энергия клетке требуется постоянно, а запасы АТФ относительно невелики. Поэтому их требуется непрерывно пополнять. Это происходит путём образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты. Такой процесс называют фосфорилированием:

АДФ + HPO-4 → АТФ.

Рис. 59. Этапы энергетического обмена

Но, как вы помните, существует закон сохранения энергии, поэтому, если во время протекания первой реакции энергия выделяется, то, для того чтобы осуществить вторую реакцию, энергию надо затратить.

Энергию, необходимую для синтеза АТФ, организм получает, расщепляя крупные органические молекулы на более мелкие. В идеальном случае в результате такого распада получаются вода и углекислый газ. Совокупность таких реакций называют энергетическим обменом или диссимиляцией [10]Совокупность процессов называют метаболизмом или обменом веществ.
(рис. 59). В результате разрыва химических связей и образуется энергия, которую организм запасает в молекулах АТФ. В принципе источником энергии могут служить многие органические вещества, но мы рассмотрим процесс выделения энергии на примере моносахарида глюкозы, как одного из главных поставщиков энергии.

Химическая формула глюкозы – C6H12O6. Человек потребляет глюкозу чаще всего в виде её полимеров – крахмала, который содержится в растительной пище, или гликогена, который входит в состав продуктов животного происхождения.

Первый, подготовительный этап энергетического обмена происходит в кишечнике. Там эти полисахариды расщепляются до мономеров – молекул глюкозы. Затем глюкоза с током крови поступает ко всем клеткам организма.

Следующий этап энергетического обмена (гликолиз) протекает прямо в цитоплазме и не требует кислорода. В результате гликолиза молекула глюкозы распадается пополам, образуя две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), формула которой C3H4O3. Поэтому реакция выглядит так:

C6H12O6 → 2C3H4O3 + 4H.

Энергии при этом выделяется совсем немного: её хватает на образование всего двух молекул АТФ. Если в клетке не хватает кислорода, то образуется молочная кислота (C3H6O3). Накопление молочной кислоты вызывает болевые ощущения, которые возникают, например, у нетренированных людей после очень интенсивной мышечной нагрузки. Кроме того, молочная кислота может стимулировать дыхательный центр головного мозга, что усиливает поступление кислорода в организм.

Если же в клетке кислорода достаточно, то осуществляется третий этап энергетического обмена – клеточное дыхание. Процессы клеточного дыхания требуют обязательного присутствия кислорода и происходят в митохондриях. В результате глюкоза полностью распадается, образуя воду и углекислый газ, и при этом образуется 36 молекул АТФ. Таким образом, реакция полного окисления молекулы глюкозы выглядит так:

C6H12O6 + 6O2 + 38АДФ + 38H3PO4 → 6CO2 + 44H2O + 38АТФ.

Или в упрощённом виде без учёта изменений в носителях энергии:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O.

Кстати, один из сильнейших ядов – цианистый калий нарушает работу одного из ферментов клеточного дыхания. В результате все клетки организма теряют способность усваивать кислород, что и приводит к быстрой гибели организма.

Проверьте свои знания

1. Сравните процессы пластического и энергетического обменов. Как вы думаете, почему их иногда называют двумя сторонами одной медали?

2. Какой процесс называют фосфорилированием? В чём он заключается?

3. В каких случаях в клетке образуется молочная кислота?

4. Где происходит заключительный кислородный этап клеточного дыхания?

Задания

1. Объясните, почему болевые ощущения в мышцах после большой физической нагрузки у спортсменов возникают гораздо реже, чем у нетренированных людей.

2. Для снятия мышечной боли после интенсивных занятий спортом обычно рекомендуют принять тёплую ванну. Как вы считаете, почему?

 

§ 23 Автотрофное питание

Фотосинтез

Итак, мы знаем, что в процессе диссимиляции происходит распад глюкозы и освобождающаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ. Естественно, для того чтобы запустить этот процесс, требуется наличие глюкозы. Гетеротрофные организмы получают эту глюкозу с пищей. А где берут её автотрофные организмы, которые не питаются органическими веществами? Им приходится её синтезировать самостоятельно, используя воду и углекислый газ. Однако для того, чтобы что-то синтезировать, нужна энергия. Большинство автотрофных организмов используют энергию солнечного света. Процесс использования солнечной энергии для синтеза органических веществ (в первую очередь глюкозы) называют фотосинтезом.

Фотосинтез происходит с помощью зелёного пигмента хлорофилла, который находится во внутренней мембране хлоропластов растений – в мембране тилакоидов. Вспомните материал из учебника 10 класса, где говорилось о свойствах света. Выясним, почему хлорофилл зелёный. Очевидно, потому, что он отражает световые лучи зелёной области видимой части спектра, а остальные лучи, например красные и синие, – поглощает. Следовательно, для фотосинтеза зелёный свет не требуется, и если вы будете освещать растение зелёным светом, даже очень ярким, в конце концов оно погибнет. Хлорофилл поглощает свет и использует его энергию для фотосинтеза (рис. 60). Вспомним, что происходит с молекулой, когда она захватывает квант электромагнитного излучения, в нашем случае света. Поглощение энергии приводит к тому, что часть электронов молекулы или атома перемещается на более высокие орбитали. При этом некоторые электроны могут оказаться так далеко от своего ядра, что потеряют с ним связь и покинут молекулу. Именно так и происходит в молекуле хлорофилла. Фотон «выбивает» из неё электроны, которые захватываются специальными переносчиками. Естественно, что при этом молекула хлорофилла теряет некоторую энергию, которая может быть использована для образования нескольких молекул АТФ.

Рис. 60. Схема фотосинтеза

После того как электроны покидают молекулу хлорофилла, она становится положительно заряженной. Для того чтобы восстановить прежнее состояние, хлорофилл отбирает недостающие электроны у молекулы воды. Так как у этой молекулы нет лишних электронов, ей приходится распадаться на кислород и водород:

2H2O – 4ē → 4H+ + O2.

Этот процесс называют фотолизом воды (от греч. «фотон» – свет и «лизис» – распад, разрушение). Образовавшийся при этом кислород выделяется в атмосферу, где его и используют для дыхания все аэробные живые организмы. Ионы водорода (протоны) присоединяются к специальному переносчику и в комплексе с ним приобретают большой запас энергии. На этом заканчивается первая фаза фотосинтеза, которая протекает на мембранах тилакоидов и носит название световой фазы.

Вторую стадию фотосинтеза называют темновой, потому что для её осуществления свет не требуется. Не нуждается она и в ферментах клеточных мембран, поэтому протекает прямо в строме хлоропласта. На этой стадии энергия, накопленная в макроэргических связях АТФ и в связанном водороде, используется для синтеза глюкозы из водорода и углекислого газа. Уравнение темновой стадии выглядит так:

6CO2 + 24H → C6H12O6 + 6H2O,

а общее уравнение фотосинтеза в упрощённой форме без учёта веществ – носителей энергии – имеет такой вид:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.

Сравним это уравнение с последним уравнением предыдущего параграфа. Легко заметить, что оно полностью соответствует ему с той лишь разницей, что записано в обратном порядке. Таким образом, фотосинтез как пример пластического обмена и энергетический обмен образуют в природе замкнутый цикл превращения энергии.

Рис. 61. Сообщества микроорганизмов чёрных курильщиков представлены хемотрофными бактериями, это основные продуценты на дне океанов. Чёрные курильщики – это действующие на дне океанов многочисленные источники, из которых в океаны под давлением в сотни атмосфер поступает высокоминерализованная горячая вода.

Солнечная энергия расходуется на образование химических связей в молекуле глюкозы, а затем при расщеплении этих связей энергия вновь освобождается, только уже не в виде энергии света, а в виде макроэргических связей АТФ. Разумеется, не вся энергия солнечного света, падающего на землю, запасается в АТФ. В соответствии со вторым началом термодинамики значительная её часть рассеивается в виде тепла. И всё же интенсивность фотосинтеза такова, что 1 м2 листьев в течение часа образует около 1 г глюкозы.

Роль фотосинтеза на Земле уникальна. Это единственный процесс, который поставляет Земле свободную энергию за счёт внешнего источника. В результате фотосинтеза все живые организмы, обитающие на нашей планете, получают энергию в виде пищевых веществ и кислород, необходимый большинству этих организмов для дыхания. В течение года в результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд т органических веществ и при этом выделяется почти 200 млн т кислорода. При этом снижается количество углекислого газа в атмосфере, что препятствует перегреву Земли в результате парникового эффекта. Большую часть фотосинтеза осуществляют леса, поэтому их интенсивная вырубка представляет серьёзную угрозу для существования жизни на нашей планете.

Хемосинтез

Другой группой автотрофных организмов являются хемосинтетики, использующие в качестве источника энергии окислительно-восстановительные реакции неорганических соединений. Хемосинтетиками могут быть только бактерии: железобактерии окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного, серобактерии превращают сероводород в молекулярную серу и серную кислоту, нитрифицирующие бактерии окисляют образующийся в результате гниения различных органических веществ аммиак до азотистой и азотной кислот, соли которых могут использовать растения.

Роль хемосинтетиков в жизни нашей планеты чрезвычайно велика, так как они участвуют в круговороте важнейших химических элементов, без которых невозможно существование жизни (рис. 61).

Проверьте свои знания

1. Почему постоянный зелёный свет губителен для растений?

2. Что такое фотолиз воды?

3. Где протекает световая фаза фотосинтеза?

4. Из какого соединения образуется выделяемый при фотосинтезе кислород?

5. На какие группы делят бактерии-хемосинтетики?

Задания

1. Вспомните материал из учебника 10 класса, где рассказывалось о том, как энергия света зависит от длины его волны, и объясните, почему осенью хлоропласты, содержащие зелёный хлорофилл, сменяются хромопластами, содержащими красный и жёлтый пигменты.

2. Вспомните, какие пигменты используют для фотосинтеза самые глубоководные растения нашей планеты. Как называются эти растения? Почему их пигменты такого цвета?

3. Используя дополнительные источники информации и знания, полученные из курса биологии, расскажите о значении этих растений в природе и жизни человека.

4. Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение или презентацию на тему «Бактерии-хемосинтетики и их роль в круговороте веществ в природе».

 

§ 24 Генетический код и биосинтез белка

Мы знаем, что белки определяют жизнедеятельность любой клетки и выполняют в ней самые разнообразные функции. Но белки – это крайне недолговечные соединения: самые устойчивые из них существуют не более нескольких месяцев. Поэтому белковые молекулы нужно постоянно обновлять. Кроме того, в зависимости от возраста, состояния и вида деятельности организму требуются разные белки в разных соотношениях. По этой причине в каждой клетке постоянно происходит синтез новых молекул белка. При этом необходимо, чтобы структура белка, т. е. последовательность входящих в него аминокислот, всегда в точности соответствовала требуемой, ведь малейшая ошибка может иметь роковые последствия. Так, если в молекуле гемоглобина, состоящей из 574 аминокислот, заменить всего две, у человека появится тяжёлое наследственное заболевание – серповидно-клеточная анемия, которая обычно приводит к смерти в раннем возрасте. Поэтому ясно, что в клетке должно находиться хранилище, содержащее точную и надёжную информацию о структуре всех белков, которые в принципе могут быть синтезированы в организме.

Генетический код

Таким хранилищем, как мы уже знаем, являются молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация о структуре одной молекулы белка, называют геном. Соответствие последовательности нуклеотидов в ДНК последовательности аминокислот в соответствующем ей белке называется генетическим кодом .

Рис. 62. Таблица генетического кода (РНК)

Так как число существующих в организме типов белков значительно больше, чем число молекул ДНК в клетке, то в каждой молекуле ДНК, т. е. в каждой хромосоме, находится множество генов.

Рассмотрим организацию генетического кода (рис. 62). Так как в ДНК существует всего 4 вида нуклеотидов, а число типов аминокислот, образующих белки, равно двадцати, то очевидно, что одна аминокислота не может определяться одним нуклеотидом. Посмотрим, что было бы, если бы конкретной аминокислоте соответствовала бы пара нуклеотидов. Из четырёх нуклеотидов можно составить 4·4 =16 разных пар, что для 20 аминокислот явно недостаточно. Посчитаем, сколько вариантов комбинаций можно получить, используя сочетания по три нуклеотида: 4·4·4 = 64. Для имеющихся типов аминокислот это слишком много, но, как говорится, запас карман не тянет. Оказывается, генетический код устроен именно так: каждой последовательности из трёх нуклеотидов, называемой триплетом или кодоном, соответствует единственная определённая аминокислота. Но поскольку триплетов больше, чем аминокислот, то обратное утверждение неверно: одна аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом. Существуют всего две аминокислоты, каждой из которых соответствует единственный триплет, остальные могут кодироваться двумя, четырьмя, а иногда и шестью разными триплетами. Часто, для того чтобы узнать, какую аминокислоту кодирует данный триплет, достаточно знать только его первые два нуклеотида из трёх. Например, если мы имеем последовательность нуклеотидов «цитозин – гуанин» (ЦТ…), то можем быть уверены, что они соответствуют аминокислоте аланину, независимо от того, какой нуклеотид находится на третьем месте.

Среди 64 триплетов существуют 3, которые не кодируют ни одной аминокислоты. Когда синтез белка доходит до одного из таких триплетов, процесс биосинтеза белка останавливается и образовавшаяся на этот момент белковая цепь освобождается. Поэтому эти триплеты называют стоп-кодонами.

Рис. 63. Биосинтез белка

Биосинтез белка

Первый этап синтеза белковой молекулы происходит в ядре, где на участке ДНК, называемом геном, формируется молекула матричной, или информационной, РНК (иРНК). Этот процесс называют транскрипцией, т. е. перепиской «текста», содержащегося в ДНК, на молекулу РНК (рис. 63). Транскрипция происходит только на одной из двух цепочек ДНК, причём напротив аденина (А) вместо тимина (Т) ставится урацил (У). Например, на участке АТГГЦА синтезируется фрагмент иРНК со структурой УАЦЦГУ. Поэтому такой синтез называют матричным. Если изготовить матрицу, например какое-нибудь рельефное изображение на куске металла или дерева, а затем приложить её к мягкому материалу (воску или пластику), то мы получим точную копию исходного изображения, только обратную исходному: все выпуклости матрицы станут впадинами, и наоборот. Такое вот матричное изображение гена и представляет собой иРНК.

Молекула иРНК выходит из ядра и переносится к рибосоме – органоиду, который осуществляет сборку белка, т. е. пептидной цепочки. Этот процесс называют трансляцией, т. е. переводом «текста» с языка нуклеотидов на язык аминокислот (см. рис. 63). В каждой клетке находится несколько миллионов рибосом. Рибосомы состоят из белка и специальной рибосомальной РНК (рРНК) и формируются в ядрышках ядра клетки. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц – большой и малой. Между ними находится щель, через которую движется цепь иРНК.

Рис. 64. Строение транспортной РНК

После того как рибосома связалась с первым триплетом иРНК, к ней подходит молекула транспортной РНК (тРНК). Транспортная РНК имеет форму листа клевера, причём на среднем «лепестке» у неё имеется триплет, комплементарный какому-либо триплету иРНК (рис. 64). Такой триплет называют антикодоном. Каждому виду тРНК, обладающему данным антикодоном, соответствует определённая аминокислота, которая может прикрепиться к данной тРНК.

Поясним это на примере. Триплет ДНК, кодирующий аминокислоту метионин, имеет строение ТАЦ. В результате транскрипции на нём образуется триплет иРНК – АУГ. Когда этот триплет оказывается внутри рибосомы, к нему подходит и присоединяется тРНК с антикодоном УАЦ.

Эта молекула тРНК приносит в рибосому аминокислоту метионин. С этого начинается процесс трансляции.

Далее рибосома продолжает последовательно, «шагами», двигаться вдоль иРНК. Причём каждый «шаг» рибосомы равен трём нуклеотидам, т. е. одному триплету. На следующем этапе в рибосоме оказываются рядом уже два триплета: прежний АУГ и следующий, например ГГГ. В этот момент к рибосоме подходит тРНК с антикодоном ЦЦЦ. Эта тРНК приносит аминокислоту пролин. Теперь прежний метионин и вновь доставленный пролин оказываются рядом, и между ними образуется пептидная связь: формируется дипептид «метионин – пролин».

На следующем этапе рибосома сдвигается ещё на «шаг», тРНК с антикодоном УАЦ отделяется от неё и отправляется за новой молекулой метионина. Теперь в рибосоме находится тРНК с антикодоном ЦЦЦ, к ней прикреплён пролин, а к тому – с помощью пептидной связи – метионин. А к следующему триплету подходит новая молекула тРНК, например с антикодоном УУУ, и приносит аминокислоту лизин. Лизин соединяется пептидной связью с соседним пролином, и образуется трипептид «метионин – пролин – лизин». Затем рибосома сдвигается ещё на один «шаг», и процесс продолжается до тех пор, пока в рибосоме не появится участок иРНК, представляющий собой стоп-кодон. На этом синтез данной молекулы белка заканчивается.

Синтез крупной молекулы белка занимает около двух минут. При этом на присоединение к синтезируемому белку каждой аминокислоты и на движение рибосомы расходуется большое количество энергии.

Проверьте свои знания

1. Практически у всех живых организмов на нашей планете одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты. Как вы думаете, о чём свидетельствует такая универсальность генетического кода?

2. Вы знаете, что у эукариотических организмов транскрипция и трансляция происходят в разных частях клетки. Как вы считаете, есть ли такое территориальное разделение этапов биосинтеза белка в прокариотических клетках? Приведите аргументы в пользу своей точки зрения.

3. Что такое трансляция и где она происходит?

4. Какие виды РНК вы знаете? Каковы их функции?

5. Что такое стоп-кодоны? Зачем они нужны?

Задания

Участок гена имеет последовательность нуклеотидов: ГЦЦАГТТААТЦГ. На нём происходит синтез иРНК, которая затем переносится в рибосому. Укажите антикодоны тРНК, которые участвуют в трансляции. Какая цепочка аминокислот при этом будет синтезирована?

 

§ 25 Деление клетки

Вы знаете, что одно из положений клеточной теории утверждает, что любая клетка образуется только в результате деления другой клетки. Все многоклеточные организмы, состоящие часто из многих триллионов клеток, происходят из одной-единственной клетки путём её последовательного деления. Одноклеточные организмы размножаются путём деления. Получается, что клеточное деление обеспечивает существование всего живого на нашей планете (рис. 65).

Подавляющее большинство эукариотических клеток, в том числе и клеток человека, делится путём митоза. В результате такого деления из одной исходной клетки образуются две дочерние клетки, генетически идентичные материнской. В начале развития молодого организма все его клетки способны к делению, что и определяет его активный рост. С течением времени некоторые клетки дифференцируются, т. е. начинают выполнять свои специфические функции. После этого некоторые из них теряют способность к делению. Так, например, сохраняются практически в неизменном виде в течение всей жизни организма нервные клетки. В других тканях, например в эпителиальной, которая образует поверхность кожи и выстилку внутренних органов, клетки, наоборот, никогда не теряют способности к делению.

Период от начала деления клетки до начала следующего деления называют митотическим циклом. Он включает в себя подготовку к делению и само деление.

Рис. 65. Благодаря митозу в природе осуществляются не только рост и развитие, но и процессы регенерации. Восстановление морской звезды из фрагмента луча

Рис. 66. Фазы митоза

В зависимости от того, в состав какой ткани входит клетка и какие функции она выполняет, митотический цикл может иметь разную продолжительность.

Интерфаза

Период подготовки клетки к делению называют интерфазой (рис. 66). В это время клетка растёт, активно потребляет питательные вещества, запасает АТФ. Важнейшим процессом, подготавливающим клетку к делению, является самоудвоение (редупликация) ДНК. Вспомните, что при редупликации каждая нить ДНК строит комплементарную себе цепочку. В результате после редупликации каждая хромосома состоит из двух абсолютно одинаковых частей, скреплённых между собой. Каждую из этих двух частей называют хроматидой. После этого удваивается клеточный центр, и вновь образовавшиеся пары центриолей расходятся к полюсам клетки.

Фазы митоза

Собственно деление клетки подразделяется на четыре фазы. Разделение это довольно условно, так как чётких границ между этими фазами не существует.

Профаза. Во время этой фазы хроматин активно спирализуется и скручивается. В результате каждая хромосома становится видна в обычный световой микроскоп и можно обратить внимание, что она состоит из двух половинок – хроматид, скреплённых в области центромеры.

В это же время исчезают ядрышки и разрушается ядерная оболочка, а центриоли начинают из микротрубочек формировать веретено деления.

Метафаза. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом, а затем, попеременно сокращаясь и расслабляясь, выстраивают хромосомы в плоскости экватора клетки, образуя так называемую метафазную пластинку.

Анафаза. Центромеры разделяются пополам, и хроматиды отделяются друг от друга. При этом каждая из них становится самостоятельной хромосомой, состоящей из одной молекулы ДНК. Нити веретена деления растаскивают разделившиеся хромосомы к разным полюсам клетки. Таким образом, возле каждого полюса образуется полный набор хромосом, абсолютно идентичный набору материнской клетки.

Телофаза. На этой стадии происходят процессы, обратные тем, которые происходили в профазе. Хромосомы деспирализуются и становятся такими же, как они были в профазе. Образуется ядерная оболочка, в ядре появляются ядрышки, веретено деления исчезает.

После деления ядра начинается разделение цитоплазмы клетки. Усиленное турбулентное движение цитоплазмы распределяет органоиды более или менее равномерно по двум вновь образовавшимся клеткам. После этого в животной клетке образуется перетяжка, которая, постепенно углубляясь, разделяет клетку надвое. В растительной клетке существует плотная клеточная стенка, поэтому образование такой перетяжки невозможно. Разделение цитоплазмы растительной клетки происходит другим способом (рис. 67).

Рис. 67. Деление цитоплазмы растительной клетки

Проверьте свои знания

1. На какой стадии происходит удвоение ДНК? Каково биологическое значение этого процесса?

2. Какие процессы происходят во время профазы?

3. В чём разница между хроматидами и хромосомами?

4. Чем различается митотическое деление в растительной и животной клетках?

Задания

1. Обсудите в классе и сформулируйте, каково биологическое значение митоза.

2. Составьте и заполните в тетради таблицу «Фазы митоза».

 

§ 26 Размножение организмов

Способность к размножению является одним из основных свойств живой материи. Размножение, т. е. воспроизведение себе подобных, обеспечивает непрерывность и преемственность жизни. В процессе размножения происходит точное воспроизведение и передача генетической информации от родительского поколения следующему, дочернему, что обеспечивает существование вида на протяжении длительного времени, несмотря на гибель отдельных особей. Благодаря размножению жизнь в целом остаётся бессмертной, несмотря на смертность каждого отдельного организма.

В основе размножения лежит способность клетки к делению, а передача генетической информации обеспечивает материальную преемственность поколений любого вида. Для того чтобы особь смогла воспроизводить себе подобных, т. е. стать способной к размножению, она должна вырасти и достичь определённой стадии развития. Не все организмы доживают до репродуктивного периода и не все оставляют потомство, поэтому, чтобы поддержать существование вида, каждое поколение должно производить потомков больше, чем было родителей. Свойства живых организмов – рост, развитие и размножение – неразрывно связаны друг с другом.

Все разнообразные формы размножения можно объединить в два основных типа – бесполое и половое.

Бесполое размножение

Бесполое размножение происходит без образования специализированных половых клеток (гамет), и для его осуществления необходим только один организм. Новая особь развивается из одной или нескольких соматических (неполовых) клеток материнского организма и является её абсолютной копией. Генетически однородное потомство, происходящее от одной родительской особи, называется клоном.

Бесполое размножение является наиболее древней формой размножения, поэтому особенно широко оно распространено у одноклеточных организмов, но встречается и среди многоклеточных.

Существует несколько типов бесполого размножения.

Деление. Прокариотические организмы (бактерии и синезелёные водоросли) размножаются путём простого деления, которому предшествует удвоение единственной кольцевой молекулы ДНК.

Митотическим делением на две и более клеток размножаются простейшие (амёбы, инфузории, жгутиковые) и одноклеточные зелёные водоросли (рис. 68).

Спорообразование – тип размножения, характерный в основном для растений и многих грибов. Специализированные клетки – споры могут образовываться в специальных органах – спорангиях (как это происходит у растений) или открыто, на поверхности (как, например, у некоторых плесневых грибов).

Вегетативное размножение – это тип бесполого размножения, при котором дочерний организм развивается из группы родительских клеток.

Широко распространено вегетативное размножение у растений.

Рис. 68. Деление инфузории туфельки

В естественных природных условиях оно, как правило, происходит с помощью специализированных частей тела растения (луковиц, корневищ, усов, клубней, корнеклубней) (рис. 69).

Вегетативное размножение у животных осуществляется двумя основными способами – фрагментацией и почкованием.

Фрагментация – это разделение тела на две и более частей, каждая из которых даёт начало новой полноценной особи. Этот процесс основан на способности к регенерации. Таким способом могут размножаться кольчатые и плоские черви, иглокожие и кишечнополостные.

Рис. 69. Органы вегетативного размножения растений: А – луковица; Б – клубень; В – усы; Г – корневище

Почкование – это образование на теле материнской особи группы клеток – почки, из которой развивается новая особь. В течение некоторого времени дочерняя особь развивается как часть материнского организма, а затем или отделяется от него и переходит к самостоятельному существованию (пресноводный полип гидра) (рис. 70), или, продолжая расти, образует собственные почки, формируя колонию (коралловые полипы). Встречается почкование и у одноклеточных – дрожжевых грибов.

Рис. 70. Почкование гидры

Половое размножение

В отличие от бесполого, при половом размножении образование дочернего организма происходит при участии половых клеток – гамет. В большинстве случаев новое поколение возникает в результате слияния двух специализированных половых клеток различных организмов.

Гаметы, дающие начало дочернему организму, имеют половинный (гаплоидный) набор хромосом данного вида и образуются в результате особого процесса – мейоза (см. ниже). Как правило, гаметы бывают двух типов – мужские (сперматозоиды) и женские (яйцеклетки), и формируются они в специальных органах – половых железах. Развитие яйцеклеток называют овогенезом, а сперматозоидов – сперматогенезом.

При оплодотворении происходит восстановление диплоидного набора. В каждой паре гомологичных хромосом одна хромосома происходит от отца, а вторая – от матери. Таким образом, новый организм, возникающий в результате слияния гамет, получает наследственную информацию от обоих родителей: 50 % от матери и 50 % от отца. Будучи похожим на них, он тем не менее обладает собственной уникальной комбинацией генетического материала, которая может оказаться очень удачной для выживания в меняющихся условиях окружающей среды.

Виды, у которых есть и мужские, и женские особи, называются раздельнополыми; к ним относится большинство животных. Виды, у которых одна и та же особь способна формировать и мужские, и женские гаметы, называют двуполыми или гермафродитными.

Возникшая в процессе эволюции раздельнополость имела явные преимущества. Появилась возможность объединять генетическую информацию разных особей, формируя новые сочетания и увеличивая генетическое разнообразие вида, что способствовало его приспособлению в изменяющихся условиях обитания. Кроме того, это позволило распределить функции между особями разного пола. У большинства организмов появился половой диморфизм – внешние отличия между мужскими и женскими особями.

Образование половых клеток. Развитие половых клеток подразделяют на несколько стадий: размножение, рост, созревание, а в процессе сперматогенеза выделяют ещё и стадию формирования (рис. 71).

На стадии размножения клетки, формирующие стенки половых желёз, активно делятся митозом, образуя незрелые половые клетки. Эта стадия у мужчин начинается с наступлением половой зрелости и продолжается почти всю жизнь. У женщин образование первичных половых клеток начинается ещё в эмбриональном периоде, т. е. общее количество яйцеклеток, которые у женщины будут созревать в течение её репродуктивного периода, определяется уже на ранней стадии развития женского организма. На стадии размножения первичные половые клетки, как и все остальные клетки тела, диплоидны.

На стадии роста, которая гораздо лучше выражена в овогенезе, происходит увеличение цитоплазмы клеток, накопление необходимых веществ и редупликация ДНК (удвоение хромосом).

Третья стадия – это стадия созревания, или мейоз. Будущие гаметы делятся дважды. Клетки, приступающие к мейозу, содержат диплоидный набор уже удвоенных хромосом.

Рис. 71. Гаметогенез у человека

В процессе двух мейотических делений из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидных.

Мейоз состоит из двух последовательных делений, которым предшествует однократное удвоение ДНК, осуществлённое на стадии роста. В каждом делении мейоза выделяют четыре фазы, характерные и для митоза (профазу, метафазу, анафазу, телофазу), однако они отличаются некоторыми особенностями (рис. 72).

Профаза первого мейотического деления (профаза I) значительно длиннее, чем профаза митоза. В это время удвоенные хромосомы, каждая из которых состоит уже из двух сестринских хроматид, спирализуются и приобретают компактные размеры. Затем гомологичные хромосомы располагаются параллельно друг другу, образуя так называемые биваленты, или тетрады, состоящие из двух хромосом или четырёх хроматид. Между гомологичными хромосомами может произойти обмен соответствующими гомологичными участками, что приведёт к перекомбинации наследственной информации и образованию новых сочетаний отцовских и материнских генов в хромосомах будущих гамет. К концу профазы I ядерная оболочка разрушается.

В метафазе I гомологичные хромосомы попарно в виде тетрад располагаются в экваториальной плоскости клетки, и к их центромерам присоединяются нити веретена деления.

В анафазе I гомологичные хромосомы из бивалента (тетрады) расходятся к полюсам. Следовательно, в каждую из двух образующихся клеток попадает только одна из каждой пары гомологичных хромосом – число хромосом уменьшается в два раза, хромосомный набор становится гаплоидным. Однако каждая хромосома при этом всё ещё состоит из двух сестринских хроматид.

В телофазе I образуются клетки, имеющие гаплоидный набор хромосом и удвоенное количество ДНК. Спустя короткий промежуток времени клетки приступают ко второму мейотическому делению, которое протекает как типичный митоз, но отличается тем, что участвующие в нём клетки гаплоидны.

В профазе II разрушается ядерная оболочка. В метафазе II хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, нити веретена деления соединяются с центромерами хромосом. В анафазе II центромеры, соединяющие сестринские хроматиды, делятся; хроматиды становятся самостоятельными дочерними хромосомами и расходятся к разным полюсам клетки. Телофаза II завершает второе деление мейоза.

В результате мейоза из одной исходной диплоидной клетки, содержащей удвоенные молекулы ДНК, образуются четыре гаплоидные– клетки, каждая хромосома которых состоит из одиночной молекулы ДНК.

Рис. 72. Фазы мейоза

При сперматогенезе на стадии созревания в результате мейоза образуются четыре одинаковые клетки – предшественницы сперматозоидов, которые на стадии формирования приобретают характерный вид зрелого сперматозоида и становятся подвижными.

Мейотические деления в овогенезе характеризуются рядом особенностей. Во-первых, профаза I завершается ещё в эмбриональном периоде, а остальные события мейоза продолжаются только после полового созревания женщины. Каждый месяц в яичниках женщины продолжает развитие одна из остановившихся в своём делении клеток. В результате первого деления мейоза образуется крупная клетка – предшественница яйцеклетки и маленькое, так называемое полярное тельце, которые вступают во второе деление мейоза. На стадии метафазы II предшественница яйцеклетки овулирует, т. е. выходит из яичника в брюшную полость, откуда попадает в яйцевод. Если происходит оплодотворение, второе мейотическое деление завершается – образуются зрелая яйцеклетка и второе полярное тельце. Если слияния со сперматозоидом не происходит, не закончившая деление клетка погибает и выводится из организма.

Полярные тельца служат для удаления избытка генетического материала и перераспределения питательных веществ в пользу яйцеклетки. Спустя некоторое время после деления они погибают.

Проверьте свои знания

1. Докажите, что размножение – одно из важнейших свойств живой природы.

2. Какие основные способы размножения вам известны?

3. Что такое бесполое размножение? Какой процесс лежит в его основе?

4. Перечислите формы бесполого размножения; приведите примеры.

5. Возможно ли появление генетически разнородного потомства при бесполом размножении? Свой ответ обоснуйте.

6. Сравните половое и бесполое размножение. В чём преимущества и недостатки того и другого способа размножения?

7. Сформулируйте определение понятия «половое размножение».

8. Какие периоды выделяют в процессе развития половых клеток? Сравните, как протекает период созревания (мейоз) в процессе сперматогенеза и овогенеза.

Задания

1. Вспомните из материала предыдущих курсов биологии, встречается ли фрагментация в растительном царстве. Если да, то приведите примеры подобного способа размножения.

2. У некоторых простейших (малярийный плазмодий) встречается особый тип размножения – так называемая шизогония. Ядро материнской особи делится несколько раз подряд без деления цитоплазмы, а затем образовавшаяся многоядерная клетка распадается на множество одноядерных клеток. К какому типу размножения относится шизогония? Докажите своё мнение.

3. Приведите примеры гермафродитных организмов. Среди каких организмов распространён гермафродитизм? Выскажите предположение, с чем это связано.

4. Выберите критерии для сравнения, составьте и заполните в тетради таблицу «Митоз и мейоз: сходство и различия».

Ваша будущая профессия

1. Докажите, что знания и умения, полученные при изучении этой главы, пригодятся вам в будущем.

2. Какой материал данной главы представляет наибольшую важность для специалиста в области микробиологии; вирусологии; цитологии; молекулярной биологии? Может ли в современной науке специалист-вирусолог не знать, например, особенностей строения бактериальной клетки? Докажите, что базовые знания о процессах, происходящих на молекулярном и клеточном уровнях организации живого, необходимы не только биологу, но и специалистам в других областях естественных наук.