Все живые организмы, от простейших до сложных, состоят из клеток. Эти элементарные единицы жизни, как правило, настолько малы, что для их изучения необходим микроскоп, а их размеры измеряются в микрометрах (тысячных долях миллиметра). Мир клеток поражает разнообразием форм: они могут быть шарообразными, овальными, кубическими, цилиндрическими, звездчатыми или дискообразными. Однако, несмотря на внешние различия, внутреннее строение клеток демонстрирует удивительное сходство.
Методы изучения клетки
Наука о клетке — цитология — является относительно молодой, ей менее ста лет. Для исследования микроскопического мира ученые используют целый арсенал современных методов. Световые микроскопы позволяют увидеть общую структуру, а электронные, увеличивающие изображение в сотни тысяч раз, дают возможность разглядеть даже отдельные молекулы. Наиболее ценную информацию о жизнедеятельности клеток дает изучение их в живом состоянии. Клетки можно выращивать искусственно в питательных средах, что позволяет исследовать их обмен веществ, потребности и реакции на внешние воздействия.
Специальные микроскопы и методы киносъемки позволяют наблюдать за движением, делением и взаимодействием живых клеток. На них даже проводят микрохирургические операции: разрезают, удаляют или пересаживают органеллы, вводят вирусы и бактерии. Для визуализации различных структур клетки применяют красители, которые могут избирательно окрашивать определенные части или химические вещества, помогая определить их состав и количество. Для разделения клеточных компонентов по размеру и плотности используют центрифугирование, после чего полученные фракции изучают под электронным микроскопом.
Строение и функции клеточных компонентов
На первый взгляд клетка кажется простой: ядро и окружающая его цитоплазма. Однако каждая из этих частей имеет сложное строение и состоит из множества жизненно важных компонентов. Содержимое клетки отделено от внешней среды плазматической мембраной — тончайшей оболочкой толщиной в тысячные доли микрометра. Под электронным микроскопом видно, что она имеет трехслойную структуру («сэндвич»): два темных слоя из белковых молекул и светлый промежуточный слой из липидов. Подобное строение характерно и для внутренних мембран клетки.
Клетку можно сравнить с высокотехнологичным микроскопическим заводом, где каждый «цех» выполняет свою функцию. Энергетическими станциями клетки являются митохондрии. В них производится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), при распаде которой высвобождается энергия, необходимая для всех процессов жизнедеятельности. В цитоплазме расположена эндоплазматическая сеть — сложная система каналов и полостей. Это «сборочный цех» клетки. На ее шероховатых участках, усеянных рибосомами, происходит сборка белковых молекул из аминокислот. На гладких участках синтезируются липиды и углеводы.
Молекулярная основа жизни: белки и нуклеиновые кислоты
Все многообразие жизни основано на двух типах молекул: белках и нуклеиновых кислотах. Белки — основной строительный материал клеток, из них состоят ферменты, антитела и многие гормоны. Разнообразие белков (сотни тысяч видов) создается всего из двадцати видов аминокислот, которые, как буквы алфавита, складываются в уникальные последовательности. Информация о строении каждого белка закодирована в ядре клетки в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).
ДНК вместе с белками образует хромосомы — своеобразные «сейфы» для хранения генетической информации. Количество хромосом постоянно для каждого вида: у человека их 46, у собаки — 78, у дрозофилы — 8. Участки ДНК, называемые генами, определяют наследственные признаки организма: от цвета глаз до группы крови. Процесс синтеза белка — это перевод информации с языка нуклеотидов ДНК на язык аминокислот белка. Сначала информация переписывается на молекулу-посредник — информационную РНК (иРНК), которая выходит из ядра к рибосомам. Транспортные РНК (тРНК) доставляют к рибосомам нужные аминокислоты, которые соединяются в цепочку согласно полученному «чертежу».
Клеточный конвейер и защитные системы
Синтезированные в эндоплазматической сети вещества по ее каналам поступают в комплекс Гольджи — «упаковочный цех» клетки. Здесь продукты концентрируются, упаковываются и либо используются самой клеткой, либо выводятся из нее. Для переваривания крупных молекул, захваченных клеткой, и утилизации отмерших частей служат лизосомы — мешочки с пищеварительными ферментами. Они также участвуют в защите, переваривая захваченные бактерии.
Деление клеток: основа роста и размножения
Продолжительность жизни большинства клеток меньше, чем у целого организма. Рост и обновление тканей происходят благодаря делению клеток. Перед делением каждая хромосома, а точнее, каждая молекула ДНК, точно удваивается. В процессе деления (митоза) хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки с помощью специального аппарата из микротрубочек, после чего образуются два новых ядра и перегородка. В результате из одной материнской клетки возникают две дочерние, идентичные ей и содержащие тот же полный набор хромосом.
Особенности растительных клеток
Клетки растений имеют принципиально сходное с животными клетками строение, но обладают и важными отличиями. Снаружи от мембраны у них находится прочная клеточная стенка из целлюлозы. В цитоплазме присутствуют крупные вакуоли с клеточным соком и пластиды. Самые важные из пластид — хлоропласты, в которых происходит процесс фотосинтеза, лежащий в основе образования органических веществ на Земле.
Значение клеточной теории
В 1839 году была сформулирована клеточная теория, ставшая одним из величайших открытий в биологии. Ее основные положения, актуальные и сегодня, гласят: клетка является элементарной единицей живого; клетки всех организмов сходны по строению; новые клетки образуются только путем деления существующих; многоклеточный организм — это целостная система, состоящая из взаимодействующих клеток, объединенных в ткани и органы. Это открытие заложило фундамент для понимания единства всего живого на нашей планете.