Клетка как исторически сложившаяся живая система.

Клетка - основа строения и развития живых организмов. Возник­новение клеток - качественный этап эволюции. Основные характери­стики клеточной системы: саморегуляция, самоопределение, само­воспроизведение, самовосстановление. Клетка дифференцируется, устойчивая система энергетически открытого типа.

Природа довольно редко и достаточно долго создает принципи­ально новые биологические конструкции. Она предпочитает усовер­шенствовать уже существующее. Поэтому возникновение клетки как живой системы нового типа - важный качественный этап эволюции. С ее становлением прогресс жизни на планете Земля стал стремителен и неудержим.

Что же представляет собой клетка как исторически сложившаяся живая система?

Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого. Это основа строения и развития всех живых орга­низмов. По образному выражению французского физиолога Клода Бернара клетка олицетворяет собой “первую ступень, жизни”. В связи с этим решение многих биологических проблем следует искать на уровне клеточных процессов и жизненных циклов клеток.

Относительно просто устроенные прокариотические, безъядерные, клетки возникли в первичном океане жизни примерно 3,5 миллиарда лет назад. Эукариотические клетки, имеющие ядра, образовались позднее. Мы не имеем неоспоримых доказательств происхождения эукариотических клеток из прокариотических. Здесь возможны пока лишь гипотезы. Важнейшая из них гипотеза клеточного симбиоза. Согласно ей эукариотические клетки вначале эволюционного пути были анаэробными организмами. В дальнейшем установился их ста­бильный симбиоз с бактериями. Считают, что глазная окислительная система клеток эукариот - митохондрии, произошла от особого рода фотосинтезирующих бактерий, утративших способность к фотосинте­зу и сохранивших только дыхательную цепь. Возможны и другие ком­бинации разнообразных жизненных начал. Как бы то ни было, созда­вая биологическую модель в виде клетки, мир живого в дальнейшем широко использовал ее в ходе эволюции в качестве главного элемента различных сочетаний. Этому способствовал широкий спектр основ­ных параметров, которыми обладает миниатюрная клеточная система. Назовем важнейшие из них.

Клетка - саморегулирующаяся система. Она имеет четко синхро­низированный цикл жизнедеятельности. Известно, что органические соединения реагируют друг с другом очень медленно, а жизнь не мо­жет поддерживаться за счет медленных реакций. Поэтому живая клет­ка выработала особые ускорители реакций в виде ферментов или эн­зимов. Производительность их огромна: некоторые ферменты в течение одной минуты способны разложить до 5 миллионов молекул суб­страта при t 0°. Ферменты это не универсальные наборы. Каждый из них может произвести только одно направленное действие, в связи с чем и существуют тысячи ферментов, В клетке они включаются в работу синхронно, со строгой последовательностью во времени и пространстве. Регуляцию осуществляет сама клетка.

Клетка – самовоспроизводящаяся система. Благодаря способности к различным видам делений клетки могут повторять себя в длинном ряду поколений и дочерних форм, что делает их с философской точки зрения бессмертными.

Клетка - система, способная к самоопределению. Молодые клетки обычно очень похожи друг на друга. Однако, в ходе развития каждая клетка идет своим путем. Происходит дифференцировка клеток, свя­занная с тем, что они должны выполнять строго определенные функции в составе многоклеточного организма. Так, в теле человека на­считывается около 250 типов клеток, причем, каждый тип имеет свое назначение. В случаях, когда клетка представляет самостоятельный одноклеточный организм, она содержит набор структур обеспечи­вающих жизнедеятельность данного организма.

Клетка - самовосстанавливающаяся система. Наличие молеку­лярных механизмов репарации молекулы ДНК, а также регенерации различных внутриклеточных органелл позволяет клетке с высокой степенью надежности исправлять различные повреждения! Не вызы­вает сомнений, что способность к самовосстановлению закладывалась постепенно в ходе эволюции и совершенствовалась в связи с услож­нением клеток. Механизм этот имеет особое значение на современном этапе развития жизни в связи с неблагоприятным для клеток ухудше­нием экологических, условий.

Клетка - энергетически открытая система. Нормальная жизне­деятельность любого организма невозможна без поступления веществ и энергии; Клетка обеспечивает преобразование этих веществ в форму пригодную для использования организмом. Она располагает универ­сальным механизмом белкового синтеза, продуцируя белки для собст­венных нужд и экспортируя их другим клеткам. На клеточном уровне обеспечивается не только вещественно-энергетический обмен между организмом и средой, но и происходит использование наследственной информации. Наследственность невозможна без обмена веществ. Все явления жизни взаимообусловлены, а объединяет их клетка.

Клетка - устойчивая система, доказательством чего слу­жит весь ход эволюции. За последние 500 миллионов лет клетки фак­тически не изменились. Их функционирование осуществляется с по­мощью довольно ограниченного набора унифицированных молекулярных и надмолекулярных и морфологических структур.

Перечисленные качественные особенности позволяют рассматривать клетку как элементарную и незаменимую биологическую систему. Детальное изучение клеточных структур и их взаимодействия привело в середине нашего века к формированию представлений о клеточном уровне организации. Опираясь на данный уровень, ока­залось возможным ввести понятия и о других структурных уровнях организации живого - как надклеточных, так и субклеточных.

Итак, возникновение клетки сыграло решающую роль для прогрес­са жизни на нашей планете. Оно обеспечило:

· возможность передачи наследственной информации в рядах поколений живых организмов;

· смену гибнущих в процессе жизнедеятельности структур новы­ми;

· рост и развитие организмов путем формирования тканей, яв­ляющихся опорным материалом для различных систем органов и все­го организма в целом.

В настоящее время на планете Земля есть две основные формы жизни: неклеточная и клеточная.

Неклеточная форма жизни - это вирусы. Их объединяют в само­стоятельную систематическую категорию Царство вирусы.

Клеточная форма жизни представлена огромным разнообразием клеток, которые существуют в виде самостоятельных одноклеточных организмов или входит в состав многоклеточных живых существ. Клеточная форма жизни существует в виде безъядерных структур (прокариот) и ядерных структур (эукариот). Различия между ними представлены в таблице.

Детальное изучение клеточных структур и их взаимодействия привело в середине нашего века к формированию представлений о клеточном уровне организации. Возникновение клетки сыграло решающую роль для прогрес­са жизни на нашей планете.

За последние 150 лет представления о клетке существенно изменились и расширились. Однако суть клеточной теории осталась неизменной.

Основные положения клеточной теории.

1.Клетка - элементарная структурно-функциональная единица жи­вой материи.

2. Клетки различных организмов сохраняют одинаковый принцип строения.

3. Размножение клеток происходит путем деления исходной мате­ринской клетки.

Различия между прокариотическими и эукариотическими клетками:

№№ п/п	Основные параметры	Прокариоты	Эукариоты
	Размеры	В среднем 0,5-5,0 мкм.	В среднем 40-60 мкм.
	Форма	Круглые, вытянутые, нитчатые.	Разнообразная, могут иметь отростки.
	Генетический материал	.Нуклеоид. Кольцевая ДНК в цитоплазме. Нет ядра и хромосом.	Линейная ДНК, связанная с белками и РНК. Хроматин и хромосомы в ядре.
	Синтез белка	70S – рибосомы и мельче. ЭП ретикулума нет. Рибосомы - в цитоплазме.	80S – рибосомы и крупнее. Рибосомы в цитоплазме и в ЭП ретикулуме.
	Органеллы	Органелл мало и они не имеют мембран (рибосомы).	Органелл много, есть мембранные (митохондрии, пластиды, лизосомы).
	Клеточные стенки	Жесткие, состоят из полисахаридов. Компонент прочности – муреин.	Жесткие стенки у клеток растений и грибов (компонент прочности – целлюлоза). Клетки животных имеют плазмалемму покрытую гликокаликсом.
	Фотосинтез	Хлоропласты отсутствуют. Происходит в мембранах, не имеющих специфической упаковки.	Хлоропласты есть в растительных клетках. В них идут процессы фотосинтеза.
	Фиксация азота	Некоторые клетки фиксируют.	Клетки не способны к фиксации.
	Деление	Простое (прямое)	Митоз (непрямое).

ЦАРСТВО БАКТЕРИИ.

Общая характеристика: К числу наиболее просто устроенных организмов, видимых лишь при очень сильном увеличении микроско­па, принадлежат бактерии. Длина бактерии в пределах 1 — 10 мкм (редко больше), ширина — от 0,2 до 1 мкм. На размеры бактерии сильно влияют внешние условия. Большинство из них состоит из одной клетки, но имеются и нитчатые мно­гоклеточные виды.

По форме одноклеточные бакте­рии разделяют на кокки, или шаро­видные, палочки (бациллы), имеющие форму цилиндра, вибрионы — изогнутые палочки; пириллы — спи­рально изогнутые палочки.

Некоторые виды бактерии обла­дают активным движением благодаря жгутикам, которые часто бывают длиннее самой бактерии и представ­ляют собой тончайшие выросты ци­топлазмы.

Количество их у разных видов не­одинаковое (один, два и более). Дви­жение бактерий может происходить и при помощи ритмического сокраще­ния клеток, например, у спирилл.

Бактериальная клетка окружена плотной оболочкой, состоящей из гемицеллюлозы и пектина, а иногда и белковых веществ. У большинства оболочка покрыта слизистой капсу­лой, которая защищает бактерию от неблагоприятных условий окружающей среды. Под оболочкой нахо­дится цитоплазматическая мембрана, окружающая цитоплазму клетки. Цитоплазма бактерий содержит питательные вещества (углеводы— гликоген и крахмал, жиры, белки), рибосомы, минеральные вещества гликоген и крахмал, жиры, белки), рибосомы, минеральные вещества и т. д. ДНК у бактерий находится в особой ядерной зоне клетки, называе­мой нуклеоидом. Вокруг нуклеоида не образуется ядерной мембраны. Кокки имеют по одному такому нуклеоиду, а бацилла — по два и бо­лее. Все бактерии не имеют ядрышка. Впячивания цитоплазматиче­ской мембраны, называемые мезосомами, выполняют у бактерий функции, аналогичные функциям митохондрий, комплекса Гольджи и эндоплазматической сети.

Большинство бактерий бесцветны, но встречаются и окрашенные — красные, зеленые и пурпурные бактерии, содержащие специ­фический для них бактериохлорофилл и бактериопурпурин.

По способу питания бактерии делятся на гетеротрофные и авто­трофные. Гетеротрофные бактерии (их большинство) делятся, в свою очередь, на сапрофитов, паразитов и симбионтов. Бактерии- сапрофиты живут на отмерших растениях и трупах животных, на про­дуктах питания и на органических остатках. Они вызывают гниение и брожение (ферментацию) органических веществ. Гниение - это расщепление белков, жиров и других азотсодер­жащих соединений под действием гнилостных бактерий. В результате гниения выделяются азот- и серосодержащие вещества, имеющие не­приятный запах. Этот процесс играет в природе огромную роль, так как очищает землю от труп в животных и растительных остатков. Об­разующиеся при гниении ядовитые вещества могут вызывать отравле­ние или даже смерть людей и животных. В связи с этим запрещается употреблять в пищу или скармливать животным гниющие продукты. Чтобы не допустить гниения продуктов и зеленой массы их подверга­ют стерилизации, сушке, маринованию, копчению, засолке, заморажи­ванию, силосованию и т. п. Эти методы обработки уничтожают гнило­стные бактерии и их споры и (или) создают такие условия, при кото­рых бактерии не могут размножаться

Брожение, или ферментация — это анаэробное расщепление углеводов под влиянием ферментов бактерий. Этот процесс давно был известен людям. На протяжении тысячелетий человек изготавливал вино путем спиртового брожения, заквашивал плоды и овощи путем молочнокислого брожения и т. д.

Бактерии-паразиты живут за счет живых организмов Одни из них болезнетворны и могут вызывать заболевания животных и челове­ка (чуму, тиф, туберкулез, сепсис, пневмонию, перитонит, менингит, ангину, ботулизм, газовую гангрену, столбняк и др). Другие служат причиной болезни растений.

Некоторые гетеротрофные бактерии в процессе эволюции вы­работали способность к симбиозу с высшими растениями. Эго, напри­мер, азотфиксирующие бактерии, живущие на корнях бобовых рас­тений — клубеньковые бактерии. Они поглощают азот из почвы и воздуха и используют его в процессах синтеза цитоплазмы, превращая в соединения, доступные для использования бобовыми растениями, ко­торые в свою очередь доставляют бактериям углеводы и минеральные соли. За один вегетационный период клубеньковые бактерии могут накапливать до 100 кг азота на 1 га. Это учитывается при составлении планов севооборота.

Автотрофные бактерии — это бактерии, которые могут синте­зировать органические вещества из неорганических в результате фото­синтеза (фототрофпые) и хемосинтеза (хемотрофные). К фототрофным относятся пурпурные и зеленые серобактерии, которые синтези­руют составные части своего тела из минеральных веществ и углеки­слого газа, а энергию используют за счет света. Хемотрофные или хе­мосинтетики питаются за счет хемосинтеза, так как органические ве­щества у них синтезируются из неорганических за счет энергии, полу­ченной при химических реакциях. К ним относятся нитрифицирую­щие, железо- и серобактерии. Явление хемосинтеза у бактерии открыл и 1887 I С Н. Виноградский.

Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соли и ам­миак и нитраты, усваиваемые растениями. Эти бактерии распространены в водоемах и почвах. Деятельность железобактерии состоит и том, что они окисляют закисные соединения железа в окисные. Они обитают в соленых и пресных водоемах, участвуя в круговороте желе­за в природе Серобактерии также обитают в соленых и пресных водо­емах они окисляют сероводород и другие соединения серы.

По способу дыхания бактерии делятся на аэробов и анаэробов. Аэ­робы используют для дыхания свободный атмосферный кислород. Анаэробы растут и размножаются в среде без кислорода. Они получа­ют энергию в процессе анаэробного расщепления органических ве­ществ, накапливая различные промежуточные продукты — спирт, мо­лочную кислоту, глицерин и другие вещества.

Обычно бактерии размножаются бесполым путем — делением материнской клетки на две дочерние. Деление проходит очень быстро. В благоприятных условиях некоторые бактерии делятся каждые 20— 30 мин. Иногда две бактерии сливаются друг с другом. При этом слия­нии между ними образуется цитоплазматический мостик, по которому вещества одной клетки переходят в другую. Такой процесс напомина­ет половое размножение.

В неблагоприятных условиях (высыхание субстрата, холод) многие бактерии способны сжиматься, терять воду и переходить в покоящееся состояние до появления благоприятных условий. Некоторые виды бак­терий в неблагоприятных условиях формируют споры. Споры облада­ют большой устойчивостью к различным неблагоприятным условиям. Эти формы бактерий выдерживают длительное кипячение, высушива­ние, замораживание, действие различных химических веществ.

Распространение бактерий в воздухе, почве, воде, ЖИВЫХ организмах. Как аэробные, так и анаэробные бактерии чрезвычайно широко распространены в природе. Они встречаются в почве, воде, живых и мертвых организмах Число бактерий в окру­жающей среде меняется под влиянием различных причин (инсоляции, обработки почвы и т.п.).

Количество бактерий в 1 г почвы может достигать сотен миллионов и даже нескольких миллиардов и зависит от типа почв. Наименьшее количество их находится в подзолистой целинной почве. Наибольшее — в окультуренной черноземной. Бактерии могут проникать в грунт на глубину до 5 метров. Микрофлора является одним из факторов, способствующих образованию почв.

В воде различных водоемов количество бактерий бывает намного меньше, чем в почве. Так, в 1 мл воды может находиться от 5 тыс. до 100 тыс. бактериальных клеток. Меньше всего бактерий встречается в воде артезианских скважин и родников, много — в открытых водоемах и реках. Больше всего бактерий обнаруживается вблизи берегов в по­верхностных слоях.

Особенно сильно загрязнена вода открытых водоемов в тех местах, куда сбрасываются сточные воды. В загрязненной воде часто встреча­ются болезнетворные бактерии (возбудители дизентерии, брюшного тифа, паратифов, холеры, бруцеллеза и др.).

В воздухе бактерии встречается еще меньше, чем в воде Загряз­нение воздуха бактериями зависит от многих причин (от времени года, географической зоны, характера растительности, запыленности и др.). Больше всего бактерии обнаруживается в закрытых помещениях, где их может скапливаться до 300 тыс. в 1 мм³. В сельской местности воз­дух чище, чем в условиях города. Практически отсутствуют бактерии в сосновых и кедровых лесах, так как выделяемые хвойными деревьями фитонциды убивают или подавляют рост и размножение всех видов бактерий.

На теле здоровых людей и животных, а также в различных органах их всегда встречаются многие виды бактерий. Подсчитано, что на ко­же человека может быть огромное количество бактерий (от 85x10⁹ до 1212x10⁶ экземпляров). Особенно много бывает бактерий, в том числе и болезнетворных, на коже человека, если он не соблюдает необходи­мых правил гигиены. Открытые части тела человека загрязняются раз­личными видами сапрофитных и патогенных (болезнетворных) бакте­рий значительно чаще, чем закрытые. Много бактерий обнаруживается на руках, поселяется в ротовой полости и в кишках человека. Из орга­низма одного взрослого человека ежедневно с испражнениями выделя­ется около 18 млрд. бактерий. Практически свободны от бактерий те органы здоровых людей и животных, которые не имеют связи с внеш­ней средой (мышцы, головной и спинной мозг, кровь и др.).