Ядро и организмы

Реферат

«Ядро и организмы»

1. Ядро и его структурные компоненты

Ядро — постоянный компонент всех клеток многоклеточных растений и животных, а также простейших и одноклеточных водорослей. Большинство клеток имеет одно ядро. Однако есть клетки с двумя, тремя и даже с несколькими десятками или сотнями ядер. Такие клетки называются многоядерными и встречаются, например, среди одноклеточных организмов, а также в печени и костном мозге позвоночных животных.

Форма ядра и часто его размеры зависят от формы клетки. Обычно в шаровидных клетках ядро имеет округлую форму, а в клетках, вытянутых в длину, ядро также удлиненной формы.

Различают два состояния ядра: делящееся и неделящееся. Мы рассмотрим особенности строения и функции неделящихся ядер.

В них различают ядерную оболочку, ядерный сок, или кариоплазму («карион» — ядро, греч.), хроматин и ядрышки. Хромосомы формируются только в делящихся ядрах, но иногда они видны и в промежутке между делениями.

Ядерная оболочка. От цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой, которая хорошо видна в световой микроскоп в форме контура, ограничивающего ядро. На электронномикроскопической фотографии, где ядерная оболочка состоит из двух мембран: наружной и внутренней. Каждая из мембран имеет типичное трехслойное строение, такое же, как наружная цитоплазматическая мембрана и мембраны других органоидов.

Ядерная оболочка не сплошная: в ней имеются многочисленные поры, которые настолько малы, что видны лишь с помощью электронного микроскопа. Диаметр пор около 300−500 А. Через поры осуществляется обмен веществ между цитоплазмой и ядром. Наружная мембрана ядерной оболочки тесно связана с эндоплазматической сетью. Во время деления ядра в большинстве клеток ядерная оболочка разрушается.

Ядерный сок (кариоплазма). Ядерный сок — это вещество полужидкой консистенции, которое находится под ядерной оболочкой и заполняет всю полость ядра. В ядерном соке располагаются ядрышки и хроматин, а в последнее время с помощью электронного микроскопа в нем обнаружены рибосомы.

Хроматин. В неделящихся ядрах хроматин часто бывает виден в форме отдельных глыбок небольших размеров или нитей. Эти хроматиновые структуры содержат дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и белок.

Хроматин — это тот материал, из которого образуются хромосомы при делении ядер. В делящихся ядрах ДНК сосредоточена именно в хромосомах. ДНК — важнейшая часть ядра. В этом веществе заключена наследственная информация, передающаяся из поколения в поколение у каждого вида организмов.

Ядрышко. Ядрышко представляет собой плотное округлое тельце, располагающееся в ядерном соке. В ядрах разных клеток, а также и в ядре одной и той же клетки в разные моменты ее жизнедеятельности количество ядрышек, их форма и размеры могут быть разными. Часто в ядрах содержится лишь 1−2 ядрышка, но их может быть 5−7 и более. Ядрышки имеются только в неделящихся ядрах; во время деления они исчезают, а в ядрах дочерних клеток образуются заново.

В состав ядрышка входят РНК и белки. Важнейшая функция ядрышка заключается в том, что в нем происходит формирование рибосом, которые затем выходят из ядра в цитоплазму. Это значит, что рибосомы, располагающиеся на мембранах эндоплазматической сети и свободно лежащие в цитоплазме, образуются в ядрышке. Рибосомы, находящиеся в ядрышке, осуществляют синтез белков.

Взаимодействие ядра и цитоплазмы. Цитоплазма и ядро клетки находятся в теснейшей взаимосвязи друг с другом. Если из клетки удалить ядро, то цитоплазма неизбежно погибнет. В свою очередь ядро не может существовать без цитоплазмы даже в течение короткого времени. Для жизни клетки необходимо взаимодействие ядра, цитоплазмы и всех ее органоидов как единого целого. Любое повреждение вызывает в конечном итоге гибель клетки. В ней нет структурных компонентов, способных к продолжительному самостоятельному существованию. Клетка — это элементарная целостная живая система.

2. Одноклеточные организмы

В отличие от клеток многоклеточных организмов, образующих разнообразные органы и ткани, одноклеточные организмы (простейшие, одноклеточные водоросли, бактерии) имеют много своеобразных черт строения. Прежде всего, тело их состоит лишь из одной клетки. А любой одноклеточный организм одновременно представляет собой и клетку, и целый организм, ведущий самостоятельное существование.

Простейшие и одноклеточные водоросли. Простейшие, или одноклеточные, животные (амебы, эвглены, инфузории и др.), а также одноклеточные водоросли (хламидомонада, хлорелла и др.) имеют типичное клеточное строение: они обладают ядром, ограниченным ядерной оболочкой, у них хорошо развиты и все органоиды, известные для клеток многоклеточных организмов. Многие формы, относящиеся к этим двум группам одноклеточных, имеют хорошо развитые органоиды движения в виде ресничек и жгутиков, имеют ротовое отверстие, через которое пища проходит внутрь клетки (вспомните, как питается инфузория туфелька), и другие органоиды, обеспечивающие все процессы жизнедеятельности этих организмов. Все эти приспособления обеспечивают самостоятельное существование простейших в разнообразных условиях внешней среды.

Бактерии. Бактериальные клетки характеризуются, прежде всего, наиболее мелкими размерами. Некоторые бактерии с округлой формой тела достигают лишь 0,2 мкм в диаметре.

По ряду признаков строения бактериальные клетки отличаются от клеток простейших и многоклеточных организмов. К таким признакам относится в первую очередь отсутствие типичного ядра, которое у бактерий лишено ядерной оболочки. Ядерные элементы, содержащие ДНК, располагаются непосредственно в цитоплазме и часто имеют неправильную разветвленную форму. У бактерий органоиды цитоплазмы, например, эндоплазматическая сеть, митохондрии, имеют более простое строение, чем в клетках других организмов.

Все это служит доказательством более простого строения бактериальных клеток по сравнению с простейшими и клетками многоклеточных организмов. Несмотря на сравнительную простоту строения, бактерии — организмы, находящиеся на клеточном уровне организации. Они, подобно простейшим и одноклеточным водорослям, представляют обширную группу клеток-организмов, ведущих самостоятельное существование и приспособленных к разнообразным средам обитания.

3. Неклеточные организмы

Детальное изучение тонкой структуры клеток показало, что клеточная теория нашла блестящее подтверждение в строении всех многоклеточных и одноклеточных организмов. Лишь одна группа живых существ не может быть охвачена клеточной теорией, так как организмы, принадлежащие к ней, не имеют клеточного строения и представляют, поэтому неклеточную форму существования живой материи.

Вирусы. Неклеточные организмы носят название вирусов («вирус» — яд лат.). Электронномикроскопическое изучение показало, что по строению вирусы сильно отличаются от клеток. Существование вирусов открыл русский ученый Д. И Ивановский в 1892 г. Вирусы значительно меньше бактерии. Например, размеры вируса гриппа 800 А. Вирусы способны жить и размножаться только в клетках растений, животных и человека и не могут вести самостоятельное существование. Вирусы вызывают многие опасные заболевания и приносят вред здоровью человека и ущерб народному хозяйству. Вирусы — возбудители таких заболеваний, как грипп, корь, полиомиелит, оспа. Они вызывают и заболевания растений, например мозаичную болезнь табака. Листья больных растений становятся пестрыми, так как вирусы табачной мозаики разрушают хлоропласты и участки листа с разрушенными хлоропластами становятся бесцветными. Известны также вирусы, которые поселяются в клетках бактерий. Такие вирусы называются бактериофагами или просто фагами («фагос» — пожирающий, греч.). Бактериофаги полностью разрушают бактериальные клетки и потому могут быть использованы для лечения бактериальных заболеваний, например дизентерии, брюшного тифа, холеры.

Строение вирусов наиболее детально изучено на примерах вируса табачной мозаики и бактериофагов. Вирус табачной мозаики существует в форме отдельных частиц, каждая из которых имеет палочковидную форму и представляет собой цилиндр с полостью внутри. Стенка цилиндра образована молекулами белка, а внутри, под этой белковой оболочкой, располагается тяж РНК, свернутый в форме спирали.

В длину частицы вируса достигают 3000 А, и поэтому их можно видеть только с помощью электронного микроскопа. Частицы вируса поселяются в клетках листьев табака и часто образуют скопления в виде кристаллов шестигранной формы. Эти кристаллы видны в световой микроскоп.

Строение бактериофага рассмотрим на примере форм, которые поселяются в клетках кишечной палочки. Такой бактериофаг по форме тела напоминает головастика.

Длина его около 2000 А. Тело бактериофага состоит из головки, хвостика и нескольких хвостовых отростков. Снаружи головка и хвостик покрыты белковой оболочкой. Внутри головки находится ДНК, а внутри хвостика проходит канал. Когда бактериофаг проникает в клетку кишечной палочки, то сначала он прикрепляется к ее поверхности, а затем растворяет оболочку бактерии в том месте, где произошло прикрепление. ДНК бактериофага проходит в канал хвостика и впрыскивается в клетку бактерии через отверстие, образовавшееся в ее оболочке. Дальше у кишечной палочки, зараженной бактериофагом, начинает синтезироваться ДНК бактериофага, а не собственная ДНК бактерии, и в конечном итоге бактерия погибает.

Таково строение вирусов, которое действительно сильно отличается от строения клеток. Это дает нам право считать, что вирусы — неклеточные существа. Их строение значительно проще строения клетки.

Эволюция клетки. Существование организмов, не имеющих клеточного строения, служит подтверждением того, что клетки не всегда были такими, какими мы их видим и изучаем сейчас, а прошли длительный путь эволюции. Вероятно, в процессе развития жизни сначала появились какие-то неклеточные организмы, строение которых было значительно проще, чем строение самых простых, известных нам сейчас одноклеточных организмов. Затем, на следующем этапе развития появились клеточной формы существования живой материи. Это, по всей вероятности были какие-то еще очень просто организованные одноклеточные формы, которые на следующей, более высокой ступени эволюции дали начало многоклеточным организмам.

4. Химический состав клетки. Вода. Неорганические составные части

Живая клетка характеризуется активной химической деятельностью. В ней одновременно протекают тысячи химических реакций. Вещества из внешней среды беспрерывным потоком поступают в клетку, и беспрерывно же отработанные продукты уносятся из клетки в окружающую среду. В одних участках клетки вещества подвергаются глубокому распаду, в других участках из простых низкомолекулярных веществ образуются сложные высокомолекулярные соединения.

Химическая деятельность клетки является основой ее жизни, главным условием ее развития и функционирования.

Химический состав клетки. У разных клеток обнаруживается сходство не только в строении, но и в химическом составе. Это указывает на общность происхождения клеток.

Данные об элементарном составе клеток представлены на таблице.

Как видно из таблицы, в состав клеток входит много различных элементов. Из 104 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено около 60. Следует подчеркнуть, что живая клетка состоит из тех же элементов, что и неживые объекты. Это указывает на связь и единство живой и неживой природы.

Элементы, входящие в состав клетки, удобно разделить на три группы. В первую группу входят 4 элемента: кислород, углерод, водород и азот. Содержание этих элементов в клетке наиболее велико. На их долю приходится почти 98% всего состава клетки. Следующую группу образуют элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Таких элементов 8: калий, сера, фосфор, хлор, магний, натрий, кальций и железо. В сумме они составляют примерно 1,9%. К третьей группе относятся все остальные элементы. Они содержатся в клетке в исключительно малых количествах (менее 0,01%). Их называют, поэтому микроэлементами.

На атомном уровне различий между химическим составом органического и неорганического мира нет. Различия обнаруживаются на более высоком уровне организации — на молекулярном. Конечно, не все соединения, содержащиеся в клетке, специфичны для живой природы. Такие вещества, как вода и соли, распространены и вне живого. Но в организмах и продуктах их жизнедеятельности уже давно обнаружено присутствие большого числа углеродсодержащих соединений, характерных только для организмов. Эти соединения и называются, поэтому органическими. Содержание основных химических соединений, обнаруженных в клетках, представлено на таблице.

Вода. Из таблицы видно, — что среди веществ клетки на первом месте стоит вода. Содержание воды в разных клетках колеблется; обычно она составляет около 80% их массы. Высокое содержание воды в клетке — необходимое условие ее жизненной активности. Чем выше содержание воды в клетке, тем интенсивнее ее жизнедеятельность. Так, в быстрорастущих клетках эмбрионов человека и животных содержится около 95% воды. В клетках взрослого организма воды до 80%, а к старости снижается до 60%. Высокоактивные клетки мозга содержат около 85% воды, а в малоактивных клетках жировой ткани содержание воды не превышает 40%. Смерть в результате лишения воды наступает раньше, чем от отсутствия пищи. Потеря более 20% массы за счет воды для человека смертельна.

Роль воды в клетке велика и многообразна. Вода определяет многие физические свойства клеток — их объем, упругость. Весьма существенна роль воды как растворителя. Многие вещества поступают в клетки в водном растворе, и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клеток. Большинство химических реакций, протекающих в клетке, может идти только в водном растворе. Далее вода непосредственно участвует во многих химических реакциях клетки. Так, например, расщепление белков, жиров, углеводов и других веществ происходит в результате химического взаимодействия этих веществ с водой. Наконец, вода играет существенную роль в распределении и отдаче тепла в клетке.

Биологическая роль воды определяется особенностями ее внутримолекулярной структуры, полярностью ее молекул, способностью образовывать водородные связи. Этими свойствами объясняется, в частности, высокая удельная теплоемкость воды, что, имеет значение для регуляции тепла в клетке. При охлаждении или повышении температуры внешней среды тепло поглощаемся или выделяется благодаря разрыву или новообразованию водородных связей между молекулами воды. Таким образом, колебания температуры внутри клетки, несмотря на резкие ее изменения во внешней среде, смягчаются. Особенностями внутримолекулярной структуры воды объясняются и ее выдающиеся 'свойства как растворителя. В воде растворяются очень многие вещества: соли, различные органические вещества — белки, углеводы и т. д. Вещество растворяется в том случае, если энергия притяжения молекул воды к молекулам вещества оказывается больше, чем энергия притяжения между молекулами воды. Вещества, у которых энергия притяжения к воде высокая и, следовательно, растворимость особенно большая, называются гидрофильными («гидро» — вода, «филео» — люблю, греч.). Существует большая группа веществ, трудно или практически почти совсем нерастворимых в воде. К. ним относится большинство неполярных веществ: жиры, липоиды, каучук, парафин и др. Энергия притяжения молекул воды к неполярным молекулам оказывается меньшей, чем энергия водородных связей. Вещества, у которых энергия притяжения к воде особенно слабая и растворимость соответственно очень низкая, называются гидрофобными, («гидро» — вода, «фобос» — страх, греч.).

Нерастворимость гидрофобных веществ в воде используется клеткой: в состав клеточных мембран входят неполярные вещества (липоиды), ограничивающие переход воды из наружной среды в клетку и обратно, а также из одних участков клетки в другие.

Неорганические составные части клетки. Из химических элементов, входящих в состав клеток, часть участвует в построении органических соединений, другая часть находится в виде неорганических веществ. Из углерода, водорода и кислорода состоят углеводы и жиры. Во все белки и нуклеиновые кислоты, кроме этих элементов, входит азот. Многие белки содержат серу. Фосфор — составная часть нуклеиновых кислот, железо входит в состав гемоглобина, магний содержится в хлорофилле, йод участвует в построении молекулы тироксина (гормона щитовидной железы), кобальт входит в состав витамина B₁₂ и т. д.

Из неорганических веществ клетки большая часть находится в виде солей. Наиболее важны из катионов: К⁺, Na+, Ca²⁺ и Mg²+, из анионов: НРО²₄-, Н₂РО₄ — С1-, НСО₃~.

Содержание катионов и анионов в клетке и в среде ее обитания, как правило, резко различно. Так, внутри клетки довольно высокая концентрация калия и очень малая натрия. Напротив, в среде, окружающей клетку, — в плазме крови, в морской воде — мало калия и довольно высокая концентрация натрия. В мышечных клетках калия в 30 раз больше, чем в крови, натрия же в 10 раз меньше, чем в крови. Пока клетка жива, это различие в концентрации К⁺ и Na+ между клеткой и средой стойко удерживается. После смерти клетки содержание К⁺ и Na+ в клетке и среде быстро выравнивается. Наличие в клетке и в окружающей среде неорганических ионов имеет важное значение для нормального функционирования клетки. При отсутствии ионов клетка утрачивает возбудимость и погибает.

Минеральные вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии; в частности, прочность и твердость костной ткани, а также раковин моллюсков обязаны присутствию в них нерастворимого фосфорнокислого кальция.

Если в среде, окружающей клетку, содержатся в недостаточном количестве элементы Р, Fe, Mg, микроэлементы I, Co, Zn и др., то нарушается образование важных соединений: нуклеиновых кислот, гемоглобина, хлорофилла, тироксина, витамина B₁₂ и т. д. — ив результате возникают различные заболевания, задержка роста и развития.

1. Азимов А. Краткая история биологии. М., 1997.

2. Кемп П., Армс К.

Введение

в биологию. М., 2000.

3. Либберт Э. Общая биология. М., 1978 Льоцци М. История физики. М., 2001.

4. Найдыш В. М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М., 1999.

5. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М., 1993.