Клеточный уровень

На определенном этапе эволюции органического мира возникли клетки и клеточные структуры. Расчленение целого организма на мелкие морфологические единицы -— клетки -— оказалось чрезвычайно полезным событием для жизни как растительных, так и животных организмов. Благодаря клеточным структурам, в организмах происходит обмен веществ, замена отмирающих и патологически измененных клеток на новые, обеспечивается наилучшее хранение, репродукция и передача наследственной информации, хранится и переносится энергия, необходимая для жизнедеятельности, обеспечиваются широкие возможности для приспособления к среде обитания.

Сегодня наукой установлено точно, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка, которая представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т. е. наделенная всеми признаками живого организма. Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным он ни представлялся. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки. Ее успехи неразрывно связаны с достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики.

В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

Открытие клеток и начало их исследования датируется концом XVII в., когда был изобретен первый микроскоп. Впервые клетка была описана английским ученым Робертом Гуком еще в 1665 г., когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержание. Среди предшественников клеточной теории также следует назвать А. Левенгука, показавшего, что ткани многих растительных организмов построены из клеток. Он же описал эритроциты, одноклеточные организмы и бактерии. Правда, Левенгук, как и другие исследователи XVII в., видел в клетке лишь оболочку, заключавшую в себе полость.

Значительное продвижение в изучении клеток произошло в начале XIX в., когда на них стали смотреть как на индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1830-е годы было открыто и описано клеточное ядро, что привлекло внимание ученых к содержимому клетки. Тогда же удалось увидеть деление растительных клеток. На основе этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX в. Именно эта теория дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов.

Мощный толчок цитология получила с созданием генетики и молекулярной биологии. После этого были открыты новые компоненты клетки -— мембрана, рибосомы, лизосомы и др.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие) и также в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки те­ла). Соматические клетки различаются по строению и функци­ям: — существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0, 1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). В живом организме находятся миллиарды разнообразных клеток (до 10¹⁵), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Несмотря на большое разнообразие клеток и их функций, установлено, что клетки всех живых организмов сходны по химическому составу; особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% от всего содержимого клетки). Остальные 2% составляют примерно 50 химических элементов. Клетки живых организмов содержат неорганические вещества -— воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры -— белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И наконец, научно доказано, что все клетки состоят из трех основных частей: плазма­тической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно; цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация. Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли -— цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды -— специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.

Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Мембрана поддерживает нормальную концентрацию солей внутри клетки. При повреждении мембраны клетка сразу гибнет.

Цитоплазма представляет собой водный соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются органеллы — маленькие органы, окруженные своими мембранами. Среди них -— митохондрии — мешковидные образования с дыхательными ферментами, в которых высвобождается энергия. Также в цитоплазме располагаются рибосомы, состоящие из белка и РНК, с их помощью идет синтез белка. Эндоплазматическая сеть -— это общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, а на мембранах этих каналов находятся ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Важную роль в клетке играет клеточный центр, состоящий из двух центриолей. С него начинается процесс деления клетки.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние клетки. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Для этого перед делением число хромосом удваивается. Такое деление клеток, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.

Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки -— яйца. Но в процессе его деления клетки видоизменяются. Это приводит к появлению множества разных клеток -— мышечных, нервных, кровяных. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, в каждой клетке многоклеточного организма содержится полная генетическая информация для построения всех белков, нужных для этого организма.

Важнейшей частью всех клеток (кроме бактерий) является ядро, в котором находятся хромосомы, -— длинные нитевидные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к ней белка. Поэтому ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы:

• прокариоты —■ - клетки, лишенные ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К ним относятся бактерии;

• эукариоты -— клетки, содержащие ядра.

Кроме того, в них есть митохондрии -— органеллы, в которых идет процесс окисления. К эукариотам относятся простейшие, грибы, растения и животные, поэтому они могут быть одноклеточными и многоклеточными.

Таким образом, между прокариотами и эукариотами есть существенные отличия в структуре и функционировании генетического аппарата, клеточных стенок и мембранных систем, синтезе белка и т. д. Предполагается, что первыми организмами, появившимися на Земле, были прокариоты. Так считалось до 1960-х годов, когда углубленное изучение клетки привело к открытию архебактерий, строение которых сходно как с прокариотами, так и с эукариотами. Вопрос, какие одноклеточные организмы являются более древними и о возможности существования некой первоклетки, из которой потом появились все три линии развития клетки, до сих пор остается открытым.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на наличие двух основных типов ее питания, что позволило разделить все организмы на два вида:

• автотрофные организмы -— они не нуждаются в органической пище и могут жить за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т. е. сами производят необходимые им питательные вещества;

• гетеротрофные организмы -— это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнены такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т. д.), обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П.К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность процессов жизнедеятельности всего организма. Процессы на низших уровнях организуются функциональными связя­ми на высших уровнях, что особенно заметно у многоклеточных организмов, и в этом также прослеживается функциональная системность.

Все многоклеточные организмы делятся на три царства: грибы, растения и животные. Их жизнедеятельность, а также работа их отдельных частей изучаются физиологией. Эта наука рассматривает механизмы действия различных функций живого организма, их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, это и есть процесс онтогенеза -— развитие организма от рождения до смерти. При этом происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и усложнение организма. Этот процесс описывается на основе знаменитого биогенетического закона, сформулированного Э. Геккелем, автором термина «онтогенез». Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т. е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида. Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке, а также проверку согласованности всех систем организма во время его работы и приспособления к окружающей среде.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей. Ткани -— это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций. Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных клеток. Например, у животных из одинаковых клеток построен плоский эпителий, а из разных клеток -— мышечная, нервная, соединительная ткани.

Органы - это относительно крупные функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы. Внутренние органы есть только у животных, у растений они отсутствуют. В свою очередь, органы входят в состав более крупных единиц -— систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечно-сосудистую, дыхательную и другие системы.

Собственно живой организм представляет собой особую внутреннюю среду, существующую во внешней среде. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития). Таким образом, организм представляет собой стабильную систему внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде. Однако общая теория онтогенеза пока еще не создана, и поэтому многие процессы, происходящие во время развития орга­низма, еще не получили своего полного объяснения.