Из клеток состоят все животные и растительные организмы. Большинство клеток видны только под микроскопом. Измеряют их тысячными долями миллиметра—микрометрами (мкм). Клетки бывают различной, часто самой причудливой формы. Среди них есть шаровидные и овальные, в виде кубиков и цилиндров, похожие на звезды и диски. Но даже самые непохожие клетки поразительно схожи по своему устройству.
Наука, изучающая клетку,— цитология сравнительно молодая. Ей нет еще и ста лет. В ее распоряжении много современных методов исследования, прежде всего—световая и электронная микроскопия. Электронные микроскопы увеличивают изображение в сотни тысяч раз. В них видны даже отдельные молекулы.
Конечно, наиболее точное представление о строении и жизни клеток дает изучение их в живом состоянии. Есть много способов искусственного выращивания клеток в питательных жидкостях. Это дает возможность исследовать особенности обмена веществ живых клеток, потребность их в тех или иных веществах, чувствительность к разнообразным воздействиям.
С помощью специальных приспособлений живые клетки можно наблюдать под микроскопом, снимать их на фото- и кинопленку. На экране видно, как клетки двигаются, делятся, соединяются друг с другом. На клетках делают и операции: их разрезают, удаляют из них отдельные части, пересаживают им новые, вводят в них микробы и вирусы.
Красители позволяют окрашивать клетки разных тканей в различные цвета. Есть даже краски, которые красят только определенные части клетки. Приемами окрашивания не только выявляют в клетке многие химические вещества, но и определяют их количество. Для того чтобы выяснить состав и строение разных клеточных частей, размельченные клетки помещают в пробирки и вращают их в центрифуге с огромной скоростью. На дне пробирок осаждаются более крупные и тяжелые части, а наверху—самые мелкие и легкие. Потом уже можно определять, из каких веществ состоят отдельные слои, и рассматривать их под электронным микроскопом.
При первом взгляде на клетку может показаться, что она состоит только из ядра и того, что окружает его,— цитоплазмы. Но эти главные части клетки, в свою очередь, состоят из многих других компонентов, без которых клетка не может обойтись. Содержимое клетки ограничивает оболочка, или, как принято в науке ее называть, плазматическая мембрана. Толщина ее измеряется тысячными долями микрометра. С помощью электронного микроскопа в ней различили три слоя: два темных и между ними светлый. Темные слои — это молекулы белков, а светлый — молекулы липидов (жироподобных веществ). Во многих плазматических мембранах есть и углеводы. Такое же строение имеют и все мембраны вокруг различных внутриклеточных частей.
Клетку можно сравнить с микроскопическим заводом, который беспрерывно работает. Как и на всяком заводе, в клетке имеются различные согласованно работающие цехи. В цитоплазме расположен «цех», снабжающий энергией все клеточные процессы. Впрочем, он не один. В клетке печени, например, до 2500 таких «цехов». Это митохондрии, силовые станции клетки. В них образуется аденозин-трифосфорная кислота, сокращенно—АТФ. Когда происходит распад АТФ, освобождается энергия, которая используется клеткой при синтезе разнообразных веществ, при выработке тепла, при движении и других проявлениях жизнедеятельности.
Под электронным микроскопом в цитоплазме видна сложная сеть каналов и полостей. Это эндоплазматическая сеть, сборочный цех клетки. На одних ее участках мембраны гладкие: здесь образуются липиды и углеводы. А на других они шероховатые, на них сидят округлые образования — рибосомы. Здесь происходит сборка белковых молекул из аминокислот. Одна аминокислота, вторая, третья... Целая цепочка из них составляет молекулу белка.
Все многообразие живой материи связано с различиями в белках и нуклеиновых кислотах. Белки образуют основной материал, из которого состоят клетки. Белковую природу имеют все ферменты — сложные органические вещества, участвующие в химических реакциях клетки,— антитела, некоторые гормоны. Нуклеиновые кислоты, как и белки, тоже высокомолекулярные соединения. Известны два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая — ДНК и рибонуклеиновая — РНК.
Различаются белки количеством составляющих их аминокислот и той последовательностью, в которой они соединены в цепочки. Белков в организмах сотни тысяч, а аминокислот всего двадцать. Если каждую аминокислоту обозначить буквой, то получится двадцати-буквенный алфавит. Из него можно составить разные слова. Каждое слово соответствует какому-нибудь белку. Перестановка букв меняет слово: «сон» и «нос», «брак» и «краб». Так же перестановка аминокислот меняет белок.
Сведения о том, какие аминокислоты и в каком порядке должны соединяться в молекулы белка, закодированы в ядрах клеток. Там находятся «сейфы» для хранения рецептов образования белков — хромосомы. В отличие от других частей клеток они построены главным образом из ДНК. Количество хромосом одинаково во всех клетках всех организмов данного вида: у мухи дрозофилы 8, лягушки 24, лука 16, кукурузы 20, собаки 22, гориллы 48, человека 46.
Отдельные участки молекулы ДНК — гены заведуют наследственными свойствами организма. Цвет волос и глаз, форма листа, стебля, группа крови и другие признаки, характеризующие индивидуальные отличия организмов, определяются генами. ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов. От их расположения в конечном счете и зависит, как будет собран белок.
Запись рецепта белка передается в два приема. Сначала он переписывается с молекулы ДНК на РНК, также состоящую из нуклеотидов. Потом эта РНК выходит из ядер и идет к местам образования белков — на рибосомы. Она является как бы посредником между ДНК и рибосомами, несет им информацию о порядке нуклеотидов. Вот и назвали ее РНК-посредник или информационная РНК. Каждая аминокислота подходит только к определенному сочетанию нуклеотидов. Точнее, ее приводит другая РНК — транспортная.
Продукция, накопленная в эндоплазматической сети, передвигается по ее каналам дальше. Клеточный конвейер! Она поступает в пластинчатый комплекс Гольджи — упаковочный цех клетки. Здесь продукция прессуется, из нее удаляется лишняя вода, и она используется самой клеткой либо выводится из нее.
Через мельчайшие отверстия плазматической мембраны в клетку могут входить только вода и мелкие молекулы других веществ. Многие вещества оказываются громоздкими для проникновения в клетку и сложными для усвоения. И все же крупные молекулы попадают в клетку. Когда такие молекулы соприкасаются с клеточной оболочкой, вокруг них возникают выросты цитоплазмы, которые, как ковшом, захватывают их. В результате они оказываются внутри клетки.
Переваривание этих молекул в клетке обеспечивают лизосомы (от греческого слова «лизис»— «растворение»). В этих мельчайших мешочках, видимых только в электронном микроскопе, содержатся ферменты, способные расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Лизосомы — это пищеварительный аппарат клетки. Они переваривают и отмершие части клеток, и попавшие в них бактерии, участвуя тем самым в защите клетки.
Большинство клеток живет значительно меньше времени, чем весь многоклеточный организм. На смену погибшим клеткам приходят новые. Благодаря прибавлению клеток осуществляется рост организма. Как же увеличивается число клеток? Клетки делятся: из одной получаются две. Причем новые две клетки не отличаются друг от друга, а от той, из которой они получились, они сначала отличаются только меньшими размерами. Они постепенно растут, и каждая из них опять делится на две одинаковые клетки, с тем же количеством хромосом.
Казалось бы, если клетка разделяется на две, то в каждой будет лишь половина хромосом: вместо 8 — 4, вместо 46—23. Но ведь хромосомы заключают в себе наследственные свойства. Их надо сохранить и передать. И в природе выработалась такая способность: молекулы ДНК, составляющие хромосомы, обладают удивительным свойством самоудвоения. Заключается оно в том, что еще до деления клетки каждая молекула ДНК удваивается. Около каждой хромосомы возникает ее точная копия. В начале клеточного деления разрушается оболочка ядра и партнеры каждой пары хромосом постепенно расходятся. К этому времени в клетке строится особый тянущий аппарат, который подтягивает каждую из пар хромосом к противоположным полюсам клетки. После достижения хромосомами полюсов этот аппарат исчезает. Вокруг хромосом снова появляется ядерная оболочка. Новые два ядра готовы. А по середине клетки образуется перегородка. Так и получается вместо одной клетки две новые с тем же количеством сходных хромосом.
Разные участки клеток были описаны еще в прошлом веке. С тех пор узнали много подробностей о клеточном строении. Казалось бы, нечего мечтать открыть в клетке что-нибудь совсем новое. Но когда при обработке клеток для рассматривания в электронном микроскопе начали применять новые вещества, то увидели в цитоплазме неизвестные трубочки. Эти трубочки, или, как их назвали, микротрубочки, являются скелетом клетки и участвуют в ее движении. Из них строится тянущий аппарат.
Клетки растений имеют в основном те же структуры, что и клетки животных. Но у них снаружи плазматической мембраны развивается еще сложная клеточная оболочка, а в цитоплазме содержатся крупные вакуоли (полости, наполненные клеточным соком) и пластиды. В зеленых пластидах — хлоропластах происходит фотосинтез основной источник образования органических веществ на Земле.
В 1839 г. была сформулирована клеточная теория о сходстве строения и размножения клеток растений и животных. Ф. Энгельс рассматривал ее в числе трех великих открытий вместе с законом сохранения энергии и учением об изменении организмов в ходе их исторического развития. Эти открытия позволили человечеству продвинуться вперед в познании природы. Конечно, более чем за 140 лет узнали много нового о строении, жизнедеятельности и развитии клеток. Но основные положения клеточной теории сохранили свое значение и в настоящее время: клетка— элементарная единица живого; клетки всех организмов сходны по своему строению; размножение клеток происходит только путем деления исходной клетки; многоклеточный организм— это сложное объединение клеток в ткани и органы, взаимосвязанные и зависимые друг от друга.