Книга: Три тайны жизни

Клетка — элементарная основа организмов

Клетка — элементарная основа организмов

Созданию эволюционной теории Ч. Дарвина предшествовало важное открытие: было установлено клеточное строение организмов. Это открытие явилось одним из первых весьма убедительных доказательств единства органической природы. Оказалось, что, несмотря на различия между растениями и животными, их объединяет сходство структурных элементов — клеток. «Это открытие не только убедило нас, — писал Энгельс, — что развитие и рост всех высших организмов совершаются по одному общему закону, но, показав способность клеток к изменению, оно обозначило также путь, ведущий к видовым изменениям организмов, изменениям, вследствие которых организмы могут совершать процесс развития, представляющий собой нечто большее, чем развитие только индивидуальное»[4].

Воспроизведем коротко историю этого достижения биологической науки.

Клетка — структура очень мелкая, и невооруженным глазом ее не увидишь. Поэтому развитие науки о клетке было тесно связано с изобретением увеличительных приборов. Первые самые примитивные микроскопы были сконструированы в XVII столетии. Наиболее известным микроскопистом является английский физик Роберт Гук (1635–1703 гг.). Он изготовил совершенный для того времени микроскоп и демонстрировал с 1662 года различные объекты: узоры замерзшей воды и мочи, мох, плесень на коре, поры в пробке, бузину, конский щавель, камыш и др. Микроскоп Гука в основном был деревянный, освещение поля зрения производилось с помощью свечи, а увеличивал он немногим более чем в сто раз.

С 70-х годов этого же столетия стал изготовлять микроскопы и с помощью их производить исследования голландец Антони ван Левенгук (1632–1723 гг.). Он достиг увеличения объектов до трехсот раз. С помощью своего прибора Левенгук впервые увидел в капле воды простейшие одноклеточные организмы — инфузории, открыл в крови красные кровяные тельца, обнаружил мужские половые клетки и многое другое.

В конце XVIII столетия большой вклад в развитие микроскопии внесли русские ученые. В России впервые были изготовлены микроскопы с наиболее усовершенствованными оптическими свойствами.

М. В. Ломоносов использовал микроскоп при изучении тонкого строения минералов.

Роберт Гук, рассматривая через микроскоп растения, обнаружил в их тканях ячеистое строение, напоминающее пчелиные соты. Он назвал эти ячейки греческим словом «целлюля», то есть клетка. Правда, Р. Гук видел только оболочки мертвых клеток. Содержимое клеток было обнаружено значительно позже — впервые в 1839 году — чешским ученым Яном Пуркинье и было названо протоплазмой, то есть первичной плазмой. В 1831 году английский ученый Роберт Броун установил наличие в клетках ядер.

В начале XIX столетия начались широкие микроскопические исследования различных животных и растительных организмов. Эти исследования дали возможность двум немецким ученым Шлейдену и Шванну создать клеточную теорию. Она была сформулирована в 1839 году в работе Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Как об этом говорит само название работы, было доказано сходство в микроскопическом строении животных и растений.

Впоследствии был открыт и изучен огромный по своему разнообразию мир одноклеточных организмов. В настоящее время достоверно доказано, что общее микроскопическое строение имеют не только многоклеточные животные и растения, но и одноклеточные организмы.

Установлено также, что сходство всех живых существ заключается именно в химическом составе протоплазмы клеток. Таким образом, клетки являются той элементарной основой любого организма, в которой совершаются все жизненные отправления. Но прежде чем удалось доказать микроскопическое единство всех существующих на земле организмов, потребовался более чем вековой упорный труд многих ученых мира.

Изучить строение протоплазмы оказалось еще труднее: она прозрачна и в обычном свете ее почти не видно. Но это препятствие было устранено. Ученые стали окрашивать протоплазму клеток.

Однако в клеточной организации имеются такие мелкие структуры, которые невозможно различить под обычным световым микроскопом. В последние десятилетия нашего столетия был изобретен электронный микроскоп, дающий увеличение объектов в двести-триста тысяч раз. Стало возможным наблюдать даже отдельные крупные молекулы и их агрегаты.

С помощью современных методов научных исследований, новейших достижений физики, химии и техники получено очень много важных сведений не только о строении, но также и о функции клетки. Клетка представляет собой своего рода современный «химический завод».

Схема строения клетки: 1 — цитоплазма; 2 — аппарат Гольджи; 3 — центросома; 4 — ядро; 5 — ядрышки; 6 — ядерная оболочка; 7 — эндоплазматическая сеть с сидящими на ней рибосомами; 8 — хондриосомы; 10 — хлоропласты; 11 — вакуоль.

Даже в самой просто устроенной бактериальной клетке совершается до двух тысяч различных химических реакций. Все они строго согласованы между собой, продукты одних сразу же используются как «сырье» или же катализаторы для других, в результате чего при обычных условиях (температуре, давлении и т. п.) в течение весьма малого времени в клетке создаются (синтезируются) сложнейшие органические вещества, специфические для данной клетки.

Все клетки животных, растений и микроорганизмов, хотя и отличаются по размерам, функциям и внешнему строению, имеют общую структурную и физико-химическую основу. Каждая клетка имеет протоплазму, которая состоит из ядерного содержимого — кариоплазмы и собственно содержимого клетки — цитоплазмы.

Живое вещество клетки — протоплазма обладает удивительными свойствами. Все тела и вещества в природе обычно бывают в каком-либо одном физическом состоянии — твердом, жидком или газообразном. Протоплазма же одновременно обладает как свойствами жидкого, так и твердого тела. Она находится в постоянном движении, изменяет свою форму согласно форме клеток, но способна вытягиваться в нитевидные образования и обладает высокой эластичностью. В состав протоплазмы входят все сложнейшие органические вещества — белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Кроме того, в настоящее время установлено, что клетка является самой богатой в природе кладовой по содержанию минеральных элементов. В ней обнаружено около шестидесяти из ста четырех известных на нашей планете элементов.

Минеральные элементы, как и органические вещества протоплазмы, участвуют в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Например, ионы железа, меди и других металлов принимают активное участие в процессе дыхания. Без железа гемоглобин крови человека и высших животных не способен осуществлять свою важнейшую функцию — перенос кислорода в организме. При отсутствии магния зеленый пигмент растений — хлорофилл — не в состоянии осуществлять синтез органических веществ в листьях. Ионы кальция и магния принимают активное участие в жизнедеятельности ядер клеток. Кальций является также необходимым составным веществом костей скелета животных и человека, а фосфор — непременный элемент протоплазмы нервных и других клеток и т. п.

Но процессы органического и минерального обмена не могли бы осуществляться без воды, которая составляет большой удельный вес (75–80 %) в протоплазме клеток.

В клетках содержатся весьма мелкие структуры, называемые органоидами. Они являются живыми частями клетки, имеют специфическое строение, химический состав и выполняют весьма сложные физиологические функции. Органоиды связаны с основными проявлениями жизнедеятельности клетки и организма в целом. В настоящее время обнаружены и изучены в какой-то степени следующие органоиды в животных, растительных и бактериальных клетках: хондриосомы, рибосомы, внутриклеточный аппарат, центросомы, пластиды, эндоплазматическая сеть и вакуоли.

Хондриосомы (их называют еще митохондриями) содержатся во всех клетках живых организмов. Размеры их сильно варьируют от очень мелких, лежащих на границе видимости светового (обычного) микроскопа, до более массивных, похожих на зерна, палочки или нити образований.

По биохимическим данным, хондриосомы состоят из белков, жиров, нуклеиновых кислот, содержат витамины А, С и большое количество ферментов, ускоряющих различные процессы обмена веществ в клетке.

Хондриосомы участвуют в окислительно-восстановительных процессах обмена веществ, являются своеобразными «силовыми станциями» клетки. В них происходит окисление углеводов, а выделившаяся при этом энергия идет на образование энергетических комплексов, состоящих из сложного вещества — аденозинтрифосфорных кислот (АТФ). Это очень неустойчивое соединение, и самопроизвольно или под воздействием ферментов в АТФ происходит разрыв связей между элементами (фосфором и кислородом). Освобождающаяся при расщеплении молекул АТФ энергия используется в различных функциях клетки — при мышечной работе, секреторной деятельности, при синтезе сложных веществ — углеводов, жиров, белков и др.

Рибосомы — очень мелкие зернышки, содержащиеся в цитоплазме, хорошо заметны при больших увеличениях микроскопа. В состав рибосом входят жиры, нуклеиновые кислоты и белки. Из минеральных элементов в рибосомах обнаружены азот, фосфор, железо и медь. Установлено, что в рибосомах осуществляется синтез белков.

Внутриклеточный аппарат, или комплекс Гольджи (назван так в честь итальянского ученого, описавшего этот органоид), обнаружен также в клетках всех животных и растений. Он имеет вид сетей, состоящих из системы переплетающихся между собой нитей, палочек или пузырьков, которые становятся видимыми на препаратах, окрашенных специальными методами с применением солей серебра. Внутриклеточный аппарат располагается обычно около ядра или вокруг него. Аппарат Гольджи на своей поверхности накапливает как продукты обмена данной клетки, так и вещества, поступающие в клетку извне. Таким образом, этот органоид защищает клетку и организм в целом от вредного действия ненужных веществ.

Наряду с большим сходством животных и растительных клеток между ними имеются и существенные отличия, которые можно наблюдать в обычный световой микроскоп. Клетки животных, как правило, имеют очень тонкую, трудно обнаруживаемую нежную белковолипоидную[5] оболочку, благодаря чему их форма легко изменяется. Протоплазма растительных клеток окружена выделяемой ею плотной, упругой оболочкой из целлюлозы (клетчатки), которая придает им более постоянную форму. В клетках животных обнаруживаются рядом с покоящимся ядром особые тельца — центриоли. Они самым непосредственным образом связаны с делением клеток. В клетках, по крайней мере высших растений, центриоли пока что еще не обнаружены, однако процесс деления, как мы узнаем ниже, осуществляется в принципе одинаково у животных и растений.

Рассмотрим органоиды растительных клеток. Важная роль в клетке принадлежит пластидам. В зависимости от выполняемой функции и окраски они делятся на две группы: окрашенные пластиды — хлоропласты и хромопласты, неокрашенные пластиды — лейкопласты и амилопласты. Хлоропласты состоят, как и другие органоиды, из белков и жиров; в состав их входят зеленые гранулы, содержащие пигмент хлорофилл, который придает зеленую окраску листьям и всем зеленым частям растений. Обычно хлоропласты у высших растений распределены равномерно по всей цитоплазме клеток. При ярком свете полуденного солнца они располагаются в слое цитоплазмы, прилегающем к стенкам, перпендикулярным направлению световых лучей. В сумерках хлоропласты рассеиваются по всему телу клетки или же прилегают к стенкам клеток листа.

Биологическая роль хлоропластов огромна. В них происходит синтез органических веществ, прежде всего углеводов, из минеральных солей и воды с участием световой энергии. Этот процесс получил название фотосинтеза.

Если бы все живые существа на земле существовали только за счет имеющихся запасов органических веществ и заключенной в них энергии, то за миллионы лет своего существования они уничтожили бы эти запасы и жизнь на нашей планете исчезла бы. Но жизнь на Земле не только не угасает, а, наоборот, умножается и прогрессирует. Это происходит потому, что беспрерывно образуются органические вещества за счет фотосинтеза.

Вакуоли представляют собой капельки жидкости, которые отчетливо начинают проявляться в цитоплазме в процессе развития и старения клеток растений. В старых клетках мелкие вакуоли сливаются в одну крупную, которая оттесняет цитоплазму с ядром к одной из стенок. В вакуолях концентрируются в растворимом состоянии минеральные соли, сахаристые вещества, а также различные органические кислоты, таннины, пигменты и другие вещества, являющиеся продуктами жизнедеятельности клетки. Пигменты вакуолей придают красную, фиолетовую, синюю окраску лепесткам цветка и некоторым другим частям растения (корнеплодам у свеклы, плодам у баклажана, листьям осенью).

В любой растительной клетке содержится целая вакуолярная система, состоящая из соединенных между собой пузырьков и канальцев.

В животных клетках в настоящее время обнаружен мельчайший органоид, который был назван эндоплазматической сетью (ЭС). По своему строению он несколько напоминает вакуолярную систему растительных клеток. Эндоплазматическая сеть состоит из мембранных полостей, размер и форма которых сильно варьируют, что, вероятно, связано с физиологическими изменениями, происходящими в клетке. Значение эндоплазматической сети еще полностью не установлено. Известно, что этот органоид имеет большую поверхность, на которой расположены рибосомы. Канальцы эндоплазматической сети с одной стороны соединяются с оболочкой клетки, а с другой — с оболочкой ядра. Тесная связь структур эндоплазматической сети с оболочками клетки и ядра, а также с органоидами клетки дает основание считать, что ЭС участвует в таких важных жизненных процессах, как поступление и циркуляция веществ, а также синтез, накопление и секреция органических соединений клетки.

В каждой клетке животных, растений и микроорганизмов, за исключением бактерий и некоторых водорослей, содержится одно, значительно реже два или несколько ядер. Ядра чаще всего имеют округлую или эллиптическую форму.

Содержимое ядра — кариоплазма, как и цитоплазма, представляют собой прозрачное бесцветное образование.

По химическому составу кариоплазма отличается от цитоплазмы. В ядре содержится большое количество (до 50 %) ядерной тимонуклеиновой кислоты и относительно простые белки. Нуклеиновые кислоты в ядре соединены с белками, образуя нуклеопротеиды. Кроме того, в ядре содержатся ферменты, участвующие в синтезе и гидролизе (расщеплении) органических веществ и нуклеиновых кислот.

Хотя многие функции ядра изучены еще далеко не полностью, совершенно ясно, что роль ядра в жизнедеятельности клетки очень велика, сложна и многообразна. Клетки, лишенные ядер, не могут делиться и погибают. В ядрах растительных клеток синтезируется целлюлоза, которая идет на построение оболочек клеток. В них же осуществляется и синтез важнейших органических веществ — нуклеиновых кислот и белков (нуклеопротеидов).

В ядрах, как и в протоплазме, содержатся определенные структуры, выполняющие специальные функции. Так, непременной структурой ядер являются одно или несколько ядрышек, которые в комплексе с ядром участвуют в синтезе нуклеопротеидов. Такой же непременной структурой ядер клеток любого организма являются интенсивно красящиеся тельца — хромосомы, которым принадлежит особая миссия в клетке — управлять ее наследственностью.

Каждая клетка начинает свое индивидуальное существование, будучи наделена всеми задатками своих родителей, и в какой-то момент прекращает это существование, превращаясь в две дочерние клетки, которым она передает по наследству свои качества. Передача наследственных задатков осуществляется путем деления и размножения клеток.

Продолжительность жизни отдельных клеток измеряется днями, неделями, месяцами (клетки крови, эпителиальные клетки и др.), самое большее — десятилетиями (нервные клетки, клетки кости). Клетки, как и организм в целом, могут стареть. Однако все живое способно и омолаживаться. Это омолаживание осуществляется за счет деления клеток. Это же явление лежит в основе процессов роста и развития любых организмов.

Деление клеток — процесс очень сложный и протекает в несколько этапов, или стадий. Этапы клеточного деления пристально изучаются вот уже почти целое столетие со дня их открытия[6]. Сложное деление клетки называется митозом, или кариокинезом.

Сложное деление клетки (митоз).

Пока клетка существует, в ее протоплазме и главным образом в ядре осуществляется интенсивный синтез нуклеопротеидов и накопление энергии в виде энергетических комплексов — АТФ. Этот период жизни клетки называется интерфазным. По мере накопления жизненно необходимых органических веществ и энергии, а также ненужных продуктов жизнедеятельности клетка приступает к делению и, следовательно, к омоложению.

Первая стадия деления интерфазной (покоящейся) клетки называется профазой. Самой характерной особенностью этой стадии является четкое проявление и хорошее окрашивание различными красителями хромосом в ядрах делящихся клеток. В интерфазных ядрах хромосомы, как правило, бывают неразличимы от кариоплазмы, так как они находятся в раскрученном (диспирализованном) состоянии, а интенсивно красящееся вещество — хроматин в этот период бывает равномерно распределен по всей кариоплазме. К началу деления хромосомы свертываются в спиралеобразные структуры и включают в свой состав красящееся вещество хроматин, которое является нуклеопротеидом.

В каждой клетке организма животных и растений содержится строго определенное количество хромосом и все они объединены между собой в пары. Количество хромосом в клетках является систематическим признаком организмов. Например, рожь имеет 14 хромосом, горох — тоже 14, свекла — 18, кукуруза — 20, ель — 24, томат — 24, картофель — 48, мягкая пшеница — 42, твердая пшеница — 28; домашняя муха — 12, пчела — 46, кролик — 44, собака — 78, кошка — 38, корова — 60, лошадь — 60, человек — 46 и т. д.

Иногда количество хромосом у различных видов совпадает, как, например, у гороха и ржи (по 14 хромосом) или у лошади и коровы (по 60 хромосом). Это только количественное сходство, но по своей наследственной природе хромосомы каждого вида и даже организма имеют свои индивидуальные особенности.

Эти морфологические и структурные особенности хромосом отчетливо проявляются уже в профазе начинающей делиться клетки. Каждая хромосома бывает поделена равномерно или неравномерно на две части (плеча), между которыми находится небольшая светлая зона — центромера. К концу профазы каждая хромосома успевает поделиться вдоль строго пополам, в результате чего образуются две сестринские хромосомы, скрепленные между собой центромерой. К этому же времени исчезают ядрышко и ядерная оболочка. После исчезновения ядра каждая самоудвоенная хромосома стремится расположиться в средней части клетки по экваториальной ее плоскости. В животных клетках центриоля также делится на два тельца, и каждое из них движется к противоположным полюсам клетки.

Следующая стадия — метафаза — характеризуется тем, что хромосомы клетки располагаются в ее экваториальной плоскости, а к их центромерам с обеих сторон подходят нити ахроматинового веретена, которые идут от полюсов клетки там, где находятся центросомы, и прикрепляются к последним, если они имеются (например, в клетках животных). Затем центриоли, соединяющие половинки хромосом, тоже делятся вдоль, и разъединенные сестринские хромосомы начинают свое движение к противоположным полюсам клетки. Эта стадия называется анафазой. Движение половинок хромосом к полюсам клетки происходит вследствие сокращения нити ахроматинового веретена.

Последняя стадия — телофаза — заключается в том, что разошедшиеся к полюсам хромосомы снова раскручиваются (диспирализуются) и переходят в оптически невидимое состояние. Вокруг них образуются новые ядра и ядрышки, в это же время появляется между ними перегородка. Так возникают две дочерние клетки, получившие от материнской через хромосомы все ее наследственные признаки и органоиды, так как перед делением клеток органоиды тоже делятся и распределяются равномерно между делящимися клетками.

На деление клеток уходит от одного до пяти-шести часов. Особенно интенсивно деление происходит в период отдыха организма. У человека, большинства животных и растений клетки делятся главным образом ночью, а у ночных животных (кошки, совы, мыши и др.) наиболее интенсивное деление клеток идет днем.

Таким образом, митоз обеспечивает постоянство числа хромосом во всех клетках индивидуума.

Все организмы животных и растений при половом размножении образуются путем длинного ряда митотических делений оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) и являются прямыми ее потомками. В результате все клетки тела многоклеточных организмов содержат такие же хромосомные наборы, как и оплодотворенная яйцеклетка, из которой развивается данная особь. Зигота, как известно, образуется путем слияния мужской и женской клеток. При оплодотворении сливаются мужские и женские ядра, но не их хромосомы. Поэтому в оплодотворенной яйцеклетке, а следовательно и во всех клетках развивающейся из нее особи, содержится двойной, или диплоидный, набор хромосом.

Очевидно, что в диплоидном наборе каждая из хромосом является потомком соответствующей хромосомы зиготы, а в зиготе половина хромосом имеет отцовское, половина — материнское происхождение. Мужская и женская гаметы несут одинаковые наборы хромосом. Поэтому в диплоидном наборе хромосомы образуют пары гомологичных (родственных) хромосом, причем одна из гомологичных хромосом имеет отцовское, другая — материнское происхождение.

В каждом поколении число хромосом не удваивается, а остается на характерном для данного вида уровне благодаря тому, что гаметы всегда содержат не двойной, а одинарный, или гаплоидный, набор хромосом. Например, клетки тела человека содержат по 46 хромосом, а его сперматозоиды и неоплодотворенные яйцеклетки — по 23 хромосомы.

Это характерное отличие гамет от соматических (телесных) клеток возникает вследствие того, что при образовании гамет в ряде делений клеток одно отличается от митоза и представляет собой редукционное деление, которое приводит к уменьшению числа хромосом ровно наполовину. Это происходит потому, что при образовании гамет из материнской диплоидной клетки расходятся не половинки самоудвоенных хромосом, а целые хромосомы. Поэтому в гаметах всегда бывает одинарный, или гаплоидный, набор хромосом. При слиянии гамет, как уже отмечалось, снова восстанавливается исходное диплоидное число хромосом. Таков замечательный механизм, который позволяет сохранить постоянство числа хромосом во всех поколениях животных и растений.

Таким образом, клетка является не только элементарной, но и функциональной, а также генетической (наследственной) основой всех живых организмов. В наши дни цитология (наука о клетке) находится в центре всех биологических наук. Цитология является своего рода «тяжелой индустрией» науки о живом, от уровня которой зависит успех в разработке кардинальных проблем биологии, медицины и сельского хозяйства. Без привлечения ее специальных методов невозможно решать такие практически и теоретически важные проблемы, как искусственный синтез органических веществ, в первую очередь белков, проблемы злокачественного роста (рака), заживление ран, действие различных веществ на организм, создание высокопродуктивных гибридных форм животных и растений.

Например, причиной образования опухолей, главным образом раковых, является нарушение процесса митотического деления. Эти нарушения могут происходить как под действием внутренних, так и внешних факторов. В настоящее время еще нет окончательного ответа на вопрос о причине превращения нормальной клетки в раковую. Но многие внешние факторы, вызывающие появление злокачественной опухоли, известны. Это различные так называемые концерогенные химические вещества, которые могут попадать в организм через дыхательные пути, с пищей, водой и т. д. Известно воздействие различных видов радиации и некоторых пластмасс.

Изучены изменения в раковых клетках. Эти клетки способны очень быстро делиться и образуют опухоль, которая продолжает расти даже в условиях голода, полного истощения организма. В отличие от нормальных клетки злокачественной опухоли приобретают атипическую форму и внутриклеточную структуру. Если нормальные клетки являются клетками-близнеца-ми, клетками-копиями, то раковые имеют разные формы, размеры, разное количество хромосом и т. д. В раковых клетках человека насчитывается от 60 до 80 хромосом (вместо обычных 46), при этом хромосомы имеют необычную форму. Для нормальных клеток резкое отклонение кариотипа (числа хромосом) от нормы является смертельным. А вот опухолевые клетки, наоборот, не только выживают при этом, но оказываются еще более жизнеспособными по сравнению с неопухолевыми. Они успешно размножаются и растут, приводя организм к гибели. Причины поразительной жизнеспособности опухолевых клеток с резко измененным кариотипом пока еще полностью не выяснены.

Одной из величайших проблем биологии было и остается изучение процессов синтеза органических веществ в клетке, а затем уже синтеза этих веществ искусственным путем. Незнание этих интимных процессов синтеза в клетке долгое время являлось сильным подспорьем для процветания религиозно-метафизического мировоззрения. Религия, а вслед за ней и религиозно мыслящие ученые, утверждали, что в живом организме существует какая-то особая нематериальная «жизненная сила», которая создает все органические вещества в клетке.

Но вот уже на рубеже XX столетия были вскрыты в основном процессы синтеза углеводов, жиров и других менее сложных органических веществ в живой клетке. Однако неразрешенной до последнего времени оставалась загадка синтеза самого необходимого вещества в клетке — белка. В настоящее время и этот барьер в основном взят наукой, поэтому последний оплот идеализма — «участие сверхъестественных сил» — в синтезе живого белка потерял под собой почву.