Различные стороны клеточного строения жизни на планете – бактерий, растений и животных

Все живое на планете состоит из клеток, а в случае бактерий одна клетка является полноценным живым организмом. И как растения, животные и бактерии отличаются друг от друга по внешнему виду и строению, так и их клетки различаются между собой. Исключение составляют фаги – вирусы, которые являются примером неклеточной жизни.

Ключевые вехи развития клеточной теории

Сам термин «клетка» впервые применил в 1665 году Р. Гук («Микрография») при описании структуры пробки.

В 70-е годы 17 века М. Мальпиги и Н. Грю исследовали клеточное строение растений.

В это же время А. Левенгук открыл и описал бактерии – одноклеточные организмы.

Исследование в 17 и 18 веках носило эпизодический характер, и в связи с несовершенством микроскопов возникало множество ошибочных предположений о клеточном строении.

В 19 веке теория о клеточном строении организмов получила дополнительное подтверждение, что явилось следствием конструктивного усовершенствования оптических микроскопов, в частности использования ахроматических линз.

Ф. Линк и Молднхоуэр на примере растений доказывают, что клетка является обособленной структурой организма, Ф. Мейен описывает клеточный обмен как процесс, самостоятельный для каждой клетки.

Значительный вклад в создание клеточной теории сделал Пуркинье и его ученики. Они проводили исследования животных тканей, в частности тканей человека, и сопоставляли полученные данные с имеющейся информацией по растительным клеткам. Я. Пуркинье первым открыл и описал протоплазму клетки (1825 г.) Однако вывод о гомологии клеток растений и животных в то время сделан не был.

Р. Броун в 1831 году впервые описал клеточное ядро и выдвинул предположение, что оно является частью клетки растений.

В 1838 г. немецкие ученые М. Шлейден (ботаник) и Т. Шванн (зоолог) независимо друг от друга пришли к идее, что живой организм (у М. Шлейдена – растение, а у Т. Шванна – животное) состоит из отдельных клеток.

Опираясь на разработки своих предшественников, М. Шлейден и Т. Шванн сформулировали основы клеточной теории (1838-39 гг.) живых организмов – бактерий, растений и животных.

Основные положения теории М. Шлейдена и Т. Шванна

Важнейшее значение в изучении и понимании процессов в живых организмах имели следующие положения выдвинутой теории:

• все живые организмы состоят из клеток;
• рост растений и животных происходит в результате размножения клеток.

Значимый вклад в развитие клеточной теории внес (1858 г.) Р. Вирхов, выдвинув положение, что клетка бактерий, растений или животных возникает только из клетки, и других возможностей не существует.

Современная теория является развитием положений М. Шлейдена и Т. Шванна, опирающимся на возросшие технические возможности. Она включает в себя следующие ключевые положения о клетке:

• она является элементарной единицей практически всех живых организмов, исключение составляют неклеточные формы – вирусы;
• у бактерий, растений и животных они гомологичны (сходны по основным свойствам и отличаются по второстепенным);
• размножаются путем деления, то есть новые клетки всегда возникают из предыдущих клеточных тканей.

Все живое состоит из клеток. В свете этого постулата ученые не пришли к единому мнению, следует ли считать фаги (вирусы) живыми организмами, ведь основные признаки живого (размножение, обмен веществ и др.) у них отсутствуют и могут проявляться лишь в чужом организме, а сами фаги являются вне ее лишь достаточно сложным химическим соединением.

По своей сути, фаги являются облигатными (не живут вне тела хозяина) паразитами. Они распространены так же широко, как и все другие организмы – воздух, водоемы и суша населены не только ядерными и доядерными формами жизни, но и фагами, которые могут поражать как прокариотов, так и эукариотов.

Фаги являются самой распространенный формой органической материи – в водоемах их содержится огромное количество – в 1 мл воды насчитывается до  единиц фагов.

Известно, что вирусы могут поражать не только бактерии, такие фаги называют бактериофагами, но и всех эукариотов – растения, грибы и животных. Таким образом, роль фагов становится очевидной – они являются важным звеном в механизме регуляции численности всего живого на планете.

Доядерные и ядерные формы жизни

Все живое можно разделить на 2 группы:

• прокариоты (бактерии и архебактерии);
• эукариоты (растения и животные).

Несмотря на общее происхождение, клетки бактерий имеют не так много схожих признаков с растениями и животными, к ним относятся:

• наличие наружного замкнутого слоя – фосфолипидной мембраны;
• присутствие наследственного материала – рибосомы и хромосомы.

Строение прокариотических и эукариотических клеток, представленное как сравнительная характеристика, наглядно показано в таблице:

Свойство	Доядерные (прокариоты)	Ядерные (эукариоты)
Размер	2-10 мкм	10-100 мкм
Форма клетки	Для различных видов бактерий характерны свои формы – они могут быть круглыми (кокки), палочковидными или спиралевидной формы (спириллы и вибрионы)	Клетка растения имеет фиксированную прямоугольную форму, а для животных характерна неправильная округлая форма
Наличие капсулы	Присутствует у отдельных видов; не является характерной чертой прокариотов	Отсутствует
Клеточная стенка	Присутствует у всех бактерий	Характерно наличие у растений и грибов, а у животных отсутствует
Плазматическая мембрана	Есть	Есть
Ядро клетки	Нет	Есть
Хромосомы	Как таковых хромосом нет; генетический материал содержит нуклеоид – закольцованная спаренная молекула ДНК; линейные молекулы ДНК редко встречаются у прокариотов	Нуклеопротеидные структуры ядра эукариотов, являются носителем генетической информации; кариотип – совокупность всех хромосом клетки – является специфическим признаком конкретного вида и не подвержен индивидуальным изменениям
Тип деления	Прямое	Митоз
Наличие пилей	Есть	Нет
Органеллы перемещения	Есть – жгутики и реснички	Есть у всех эукариотов (ундулиподии, закрепленные с помощью кинетосом), кроме грибов

Клеточное строение усложняется от прокариотов к эукариотам. Если организм бактерии состоит из одной клетки, то организмы высших животных, в частности человека, состоят из .

Химический состав

Важной характеристикой живой клетки является ее химический состав.

Клеточное вещество бактерий, растений и животных представляет собой сложный двухфазный коллоид:

• цитоплазматический матрикс, способный переходить от жидкого до твердого агрегатного состояния;
• мембранная система, выполняющая роль более жидкой составляющей.

Элементарный клеточный состав насчитывает более 70 единиц и в процентном соотношении по убыванию распределяется следующим образом:

• кислород – 65%;
• углерод -18%;
• водород — 10%;
• азот — 3%;
• кальций, калий, фосфор, хлор и сера.

Данная группа химических элементов присутствует всегда в значительном количестве и носит название макроэлементов.

Микроэлементы, такие как медь, марганец, селен, кобальт и другие, также являются обязательной частью клетки, но необходимы в малых количествах.

Химические элементы присутствуют не в виде молекул чистого вещества – они образуют различные органические и неорганические соединения, имеющие свою роль в процессе жизнедеятельности организма.

Неорганика организмов

Исключительное значение для жизнедеятельности любой формы – бактерий, растений, грибов или животных – имеет вода.

Это неорганическое соединение является:

• средой для проведения реакций;
• растворителем химических веществ;
• частью механизма выведения продуктов обмена;
• гарантом стабильного температурного режима прокариотов и эукариотов.
  Кроме воды, в структуре присутствуют минеральные соли, они являются частью клеточной протоплазмы.

Органические соединения

Основными органическими соединениями, участвующими в строении и жизнедеятельности организмов бактерий, растений, грибов и животных, являются углеводы (простые и сложные), липиды, стероиды, белки, АТФ и нуклеиновые кислоты.

Роль биологических молекул в живых организмах заключается в следующем:

• углеводы (соединение углерода, водорода и кислорода) являются составной частью мембранных систем и важнейшим энергетическим источником;
• липиды (соединение спиртов и жирных кислот) играют роль накопителей энергии;
• стероиды – данные вещества являются гормонами;
• белки – сложные соединения со значительной молекулярной массой; являются строительным материалом, а также катализаторами, гормонами, токсинами и антителами, вследствие деструкции становятся источниками энергии;
• АТФ – осуществляет обмен энергии и вещества, является источником энергии для биохимических процессов;
• нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – являются носителями генетической информации.

Методы изучения клеточной структуры

В связи с микроскопическими размерами изучение строения клеток стало возможным только с появлением микроскопов.

Современная наука использует для исследования цитопроцессов системно-структурные методики, объединяющие микроскопическую технику и цитологические исследования.

Для изучения процессов в клетках бактерий, растений, грибов и животных используются следующие техники микроскопирования:

1. Световая – используются оптические микроскопы, разрешающая способность до 105 крат (проекция на экран); имеет модификации:

• фазово-контрастная – используются оптические микроскопы для получения изображений прозрачных объектов;
• ультрафиолетовая и инфракрасная – оптические микроскопы оснащаются флуоресцентными экранами, объекты изучают в УФ- или ИК-частях спектра;
• люминесцентная – метод основан на появлении люминесценции под воздействием УФ-излучения.

2. Электронная – применение сканирующих электронных микроскопов позволило получить трехмерное изображение клетки, а дополнительное использование замедленной киносъемки дало возможность записать процесс жизнедеятельности самой клетки.

 

Цитологические исследования используют цитохимические методы – избирательное окрашивание определенных участков цитоплазмы, а также методики авторадиографии – введение радиоактивных изотопов водорода, фосфора или углерода в клетку и отслеживание их на фотоэмульсиях.

Цитологи способны выделить отдельные компоненты клетки методами дифференциального центрифугирования. Применение при анализе хроматографов позволяет разделить биологические молекулы, а их пространственное расположение определяют методами рентгеноструктурного анализа.

Особенности размножения прокариотов и эукариотов

Сравнительная характеристика процесса пролиферации (размножения) доядерных и ядерных организмов выявляет различные процессы, протекающие при размножении в клетках прокариотов и эукариотов.

Размножение безъядерной клетки осуществляется простым делением на 2 равноценные по размеру и составу части, каждая из которых является носителем одинаковой генетической информации.

Эукариотические клетки размножаются по одному из двух механизмов:

• митоз – непрямое деление, основное для ядерных форм; происходит деление ядра с образованием родительского набора хромосом в каждом из дочерних ядер, далее происходит деление самой клетки;
• мейоз – деление клетки с уменьшением хромосомного набора вдвое – образуются гаметы, при оплодотворении происходит слияние гамет, новый организм имеет полный набор хромосом.

Независимо от того, является клетка прокариотом или эукариотом, она всегда связана с жизнью. В отсутствии клетки жизни не существует.