6.2. Клеточная теория строения живых организмов

Клеточный уровень – это следующий уровень организации живой материи. Его структурной единицей является клетка.

Клетка – это мельчайшая живая система, обладающая всеми свойствами живого. Она способна питаться, расти и делиться на дочерние с передачей им полной генетической информации, а также является первоосновой строения и жизнедеятельности всех организмов.

Согласно современной клеточной теории все живые организмы состоят из клеток. В простейшем случае – из единственной клетки (бактерии, амебы). В организме человека их насчитывается около 10¹⁵.

Благодаря достижениям микроскопии, в частности электронной микроскопии, структуры различных клеток животных и растений изучены достаточно подробно. Несмотря на различие функций и внешнего вида, все клетки имеют одинаковую структуру. Клетка – это фазово-обособленная система, отделенная от внешней среды мембраной, внутри которой находятся ядро и протоплазма.

Клеточная мембрана имеет толщину около 8 нм. Она образована двойным слоем липидов (жиров), в который встроены молекулы белков и углеводов. Мембрана контролирует обмен молекулами с внешней средой, сохраняет форму клетки, обеспечивает постоянный химический состав цитоплазмы, поставляет в цитоплазму питательные вещества и выводит продукты обмена, т.е. обеспечивает метаболизм. Транспорт молекул через мембрану осуществляется по системе каналов, образованных встроенными в мембрану белками. Каналы обладают избирательными свойствами к различным молекулам и могут находиться в открытом и закрытом состоянии. Главная движущая сила молекулярного транспорта (химическая диффузия) поддерживается постоянством химического состава цитоплазмы, неравновесным относительно межклеточного пространства. Кроме того, клеточная мембрана является как бы сенсорным органом клетки, то есть она воспринимает сигналы из внешней среды, преобразует их и передает соответствующим органеллам для исполнения.

Цитоплазма – это желеобразное вещество, состоящее из водного раствора органических веществ, белков и солей, в которой протекает большинство постоянных химических процессов. В цитоплазме размещены ядро, митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи, лизосомы и т.д. Это автономные структуры, которые называют органоидами.

Органоиды цитоплазмы имеют собственные мембраны, обеспечивающие протекание в них биохимических процессов. Посредством этих мембран они обмениваются молекулами с водным соляным и белковым раствором цитоплазмы. Каждый из органоидов выполняет свои специфические функции.

В митохондриях, которые часто называют энергетическими органоидами, производится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) – это своеобразное топливо живой клетки. В молекулах АТФ запасается химическая энергия, которая может освобождаться при ферментативной реакции отщепления органического фосфата. Энергию АТФ клетки используют для процессов молекулярного транспорта, движения самой клетки, производства тепла.

В лизосомах находится набор ферментов, которые расщепляют белки, жиры и углеводы.

Комплекс Гольджи осуществляет перемещение макромолекул в клетке. Каждый из множества новообразованных белков с помощью аппарата Гольджи определенным образом модифицируется, отсортировывается и с большой точностью доставляется в нужный отдел клетки.

В рибосомах синтезируются белки на основании кода информационной рибонуклеиновой кислоты u-РНК, с использованием аминокислот, поставляемых транспортной т-РНК.

Ядро – это основная часть клетки, отделенная от цитоплазмы ядерной мембраной. В ядре находятся рибосомные белки, молекулы ДНК (хромосомы) и РНК. Ядро управляет синтезом белков, в том числе ферментов, и через них всеми физиологическими процессами в клетке.

Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Поэтому они отличаются друг от друга по структурно-функциональным и биологическим свойствам. Клетки, образующие органы и ткани организма (нервные, костные, мышечные и т.д.), называют соматические. Половые клетки служат для размножения. Различаются клетки и по срокам жизни. Одни из них отмирают через несколько дней (клетки пищевода), а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни организма.

Разнообразен молекулярный состав вещества живой клетки. Особое место в нем занимает вода (Н₂О). Почти все живые существа состоят в основном из воды: у человека содержание воды изменяется от 20% в костях до 85% в головном мозге, медуза на 95% состоит из воды, даже в сухих семенах более 10% массы составляет вода.

Молекула воды обладает рекордной величиной дипольного момента. Именно поэтому вода в живых клетках играет роль уникального растворителя. В ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Кроме того, вода обладает большой теплоемкостью, благодаря чему предохраняет клетку от перепадов температуры. Испарение воды связано со значительной потерей энергии, что позволяет живым организмам защищать себя от перегрева.

Кроме воды в клетке присутствуют другие неорганические вещества преимущественно соли калия, натрия, магния, включающие остатки соляной, серной, угольной и фосфорной кислот. В состав химических соединений вещества клеток живых организмов входит 21 элемент (из 89 известных в природе), отобранных эволюцией. Большинство из них относится к легким элементам. Однако есть и тяжелые элементы (Fe, Cu, Zn, Se, I), необходимые живым организмам в малых количествах.

Таким образом, живая клетка – это хорошо организованная биохимическая система, в основе жизнедеятельности которой лежат физико-химические процессы. Из чего следует, что живая материя, как более высокая форма организации, возникает как новое качество на основе более низких форм движения: физической, химической, механической.

Схожесть молекулярного строения всех клеток всего живого и идентичность протекающих в них физико-химических процессов подтверждает эволюционную теорию происхождения и развития жизни на Земле.