КЛЕТКА

ОТКРЫТИЕ КЛЕТКИ. 13 апреля 1663 г. моло­дой английский учёный Роберт Гук показы­вал в собрании Королевского общества в Лондоне интересный микроскопический препарат — срез коры пробкового дуба. Кора оказалась не одно­родной, а состоящей из крошечных ячеек, похо­жих на пчелиные соты. Гук назвал их «клет­ками». Он имел в виду маленькие камеры напо­добие помещений, в которых сидят заключён­ные, или монастырских келий.

Гук не мог предвидеть всей важности своего открытия. Он считал, что живое вещество клет­ки — это её стенки, а внутри эта «коробочка» пуста.

КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ. К 1838 г. наука накопила огромное количество сведений о клет­ках живых организмов. Прежде всего стало ясно, что живым веществом является содержимое клетки, а не её стенки, как полагал Гук. Клетки были обнаружены в тканях растений и живот­ных. Учёные узнали, что клетки могут размно­жаться, делясь пополам.

Всю эту массу информации в 1838—1839 гг. обобщили немецкие биологи Маттиас Шлейден и Теодор Шванн. Они сформулировали основное положение клеточной теории: клетка — единица строения и жизнедеятельности всех живых орга­низмов.

Из клеток состоит всё живое. Как здание строится из кирпичей, так и ткани и органы живых существ состоят из клеток. Вне клетки нет жизни. В теории Шванна и Шлейдена была, однако, ошибка: учёные считали, что клетки организма возникают из бесклеточной зароды­шевой массы. В 1855 г. их соотечественник Ру­дольф Вирхов отверг это положение. «Всякая

клетка — только от клетки», — так афористично сформулировал он новый биологический закон. Новая клетка может произойти только от других клеток.

ЯДРО. В 1833 г. английский ботаник Ро­берт Браун открыл в клетках плотные округлые тельца и описал их. Он назвал их ядрами. Позд­нее биологи установили, что ядро (или множест­во ядер) есть во всех клетках растений, живот­ных и грибов. (Хотя отдельные типы клеток теряют ядро в процессе развития.)

Ядро в масштабе клетки имеет довольно круп­ные размеры. Но можно ли увидеть ядро, не пользуясь увеличительными приборами? Каза­лось бы, если и клетки человеку удаётся увидеть невооружённым глазом только в редких случаях, то что уж говорить о деталях их строения, на­пример о ядре. Между тем ядро одноклеточной морской водоросли ацетабулярии прекрасно мож­но увидеть невооружённым глазом. Эта водо­росль считается одним из самых больших одно­клеточных существ: от 2 до 4 см в высоту. Она состоит из шляпки, «стебля» и ножки. Ядро её напоминает небольшой шарик диаметром 1 мм.

Серию знаменитых опытов с ацетабулярией провёл немецкий биолог Иоахим Хеммерлинг в 30-е гг. XX в. Он просто разрезал водоросль нож­ницами. Ядро при этом оставалось в шляпке, ножке или стебле. Учёный заметил, что только та часть растения, где сохранялось ядро, могла восстановить полноценный организм и размно­жаться. Потерянное ядро уже не восстанавлива­лось.

Удалённое ядро, помещённое на сутки в са­харный раствор и возвращённое затем на место, приживалось, и водоросль продолжала расти и размножаться как ни в чём не бывало.

Существует несколько видов ацетабулярии. У одних форма шляпки походит на зонтик, у дру­гих — на ромашку. Самое же интересное заклю­чалось в том, что если водоросли-«зонтику» отре­зали шляпку и в оставшуюся часть помещали ядро водоросли-«ромашки», то новая шляпка была уже шляпкой «ромашки»!

Постепенно биологи пришли к выводу, что ядро — это «хранилище инструкций и черте­жей» строения, развития и жизнедеятельности клетки. Подробнее об этом рассказано в статье «Генетика». Ядро окружено двойной «кожицей» (мембраной) — ядерной оболочкой, которая име-





ет многочисленные поры. Сквозь поры ядро может пере­давать в остальную часть клетки свои «инструкции» и регулировать её деятельность.

МЕМБРАНЫ КЛЕТКИ. Биологи давно догадыва­лись, что любая клетка окружена тонкой «кожицей», оболочкой, отграничивающей её от внешней среды. Но увидеть эту оболочку удалось только в 50-е гг. XX в. с помощью электронного микроскопа. Что же такое эта клеточная «кожа»?

Чтобы получить о ней наглядное представление, вспом­ним обыкновенный мыльный пузырь. Вода постепенно стекает вниз, стенка пузыря утончается. Вот по нему начали от вершины бежать радужные разводы. Это зна­чит, что толщина мыльной плёнки составила всего не­сколько сот молекул мыла и стала соизмеримой с длиной световых волн. По мере того как плёнка становится всё тоньше, по пузырю несколько раз пробегает вся цветовая гамма. А затем происходит удивительная вещь. На вер­шине пузыря образуется «дыра», которая быстро разра­стается. Пузырь лопается. Если пузырь висит в воздухе, в какой-то момент может показаться, что от него осталась только нижняя полусфера. Но верхняя часть мыльной плёнки отнюдь не исчезает. Просто она достигает толщи­ны в две-три молекулы, и световые волны проходят через неё, «не замечая» преграды!

Именно такой тончайшей (в две молекулы толщиной) плёнкой (мембраной) и «обёрнута» каждая живая клетка. По вязкости мембрана близка к оливковому маслу. В статье «Вещества организма» рассказано о свойстве жиров и липидов образовывать мембрану толщиной в две моле­кулы. В эту липидную плёнку вкраплены молекулы бел­ков (см. раздел «Белки» в статье «Вещества организма»). Белки не закреплены, а свободно плавают в мембране. Они служат «контрольно-пропускными пунктами» мем­браны, её «привратниками». Причём белки не только помогают пройти внутрь клетки «званым гостям», но и выбрасывают вон «непрошеных посетителей». Сравнение это можно продолжить. Есть на поверхности мембраны «дверные звонки» (тоже белки), с помощью которых внутрь клетки передаются сигналы. Есть «квартирные номера», благодаря которым клетки узнают друг друга.

У животных клеток поверх наружной клеточной мем­браны расположен ещё «чехол» из углеводов, примерно вдвое тоньше самой мембраны. А в клетках растений кроме мембраны имеется ещё толстая клеточная стенка из целлюлозы (см. ниже).

Мембрана не только «обёртывает» клетку, но и делит (как говорят биологи, «разгораживает») её на обособлен­ные отсеки, в каждом из которых идёт свой химический процесс. В этих отсеках клетка создаёт свои белки, жиры, углеводы. Этот внутренний клеточный лабиринт из мем­бран с «тоннелями», пузырьками и полостями был открыт в 1945 г. Его назвали эндоплазматической сетью. В клет­ке как бы выделяются «кухня», «кабинет», «столовая» и т. д. Представьте себе, что внутри жилых домов пере­стали бы строить внутренние стены. Насколько менее удобно стало бы жить в таких помещениях! Между тем, возвращаясь к клетке, надо сказать, что именно так, с минимальным количеством внутренних отсеков, устрое­ны клетки безъядерных организмов — бактерий и синеСтроение (сверху вниз): хлоропласта; митохондрии со складками (кристами); митохондрии с трубочками.

зелёных водорослей. Ядерные организмы стали следующей, более совершенной ступенью эво­люции.

До изобретения электронного микроскопа учёные не знали о столь существенных отличиях клеток бактерий и синезелёных водорослей от клеток животных, растений и грибов. Подробно о строении бактерий можно прочитать в статье «Бактерии».

ЛИЗОСОМА. Лизосомы были открыты в 1955 г. Это маленькие мембранные пузырьки, наполненные особыми белками-ферментами. Эти белки настолько хорошо разлагают и пере­варивают органические вещества, что если «вы­пустить» их из лизосом, клетка «переварит саму себя». Лизосомы — это как бы внутриклеточные «желудки» (см. также ст. «Питание»). Лизосомы переваривают не только пищу, попавшую в клетку, но и части самой клетки, вышедшие из строя. Есть у лизосом и другие «обязанности». Например, мужская половая клетка, для того чтобы слиться с яйцеклеткой, лизосомами «прожигает» себе путь сквозь её оболочку. При превращении головастика во взрослую ля­гушку лизосомы «съедают» его хвост.

СЕТЧАТЫЙ КОМПЛЕКС. Его называют ещё аппаратом Гольджи по имени итальянского учёного, открывшего его в 1898 г. Здесь собираются и «упаковываются» произведённые клеткой вещества (белки, жиры, углеводы), как правило, предназначенные на «экс­порт» в различные органы. Здесь же производятся лизосомы. Сам сетчатый комплекс состоит из плоских мембранных пузырьков, на­ложенных друг на друга, как блины в стопке.

МИТОХОНДРИИ. Когда-то, миллиарды лет тому назад, суще­ства, напоминающие бактерий, нашли себе необычную среду обита­ния. Они поселились внутри клеток других живых организмов. Постепенно «хозяева» и «жильцы» приспосабливались друг к другу, а в конце концов настолько сжились, что друг без друга не могли уже существовать. Такая взаимопомощь в природе, как известно, назы­вается симбиозом.

Содружество это оказалось настолько полезным, что сейчас почти во всех клетках растений, грибов и животных, в том числе и в наших с вами клетках, продолжают жить эти «квартиранты», став их необходимой частью. Их называют митохондриями, а у растений это ещё и пластиды (см. ниже).

От былой независимости у митохондрий осталась лишь относитель­ная автономия. Они имеют собственную генетическую информацию, записанную в ДНК, и сами синтезируют некоторые свои белки. Правда, этого недостаточно, чтобы они могли свободно размножаться вне клетки. Новые митохондрии (и пластиды, о которых речь пойдёт дальше) возникают путём деления старых.

Митохондрии называют «батареями жизни», «клеточными энер­гостанциями». В митохондриях происходит клеточное дыхание. Без огня и дыма, но очень эффективно они «сжигают» питательные вещества, переводят полученную энергию в АТФ (см. ст. «Вещества организма») и в таких удобных «расфасовках» передают её для всех нужд клетки. КПД митохондрий необычайно высок: около 50%, в то время как КПД двигателей внутреннего сгорания — около 33%.

В клетке может быть от одной до нескольких тысяч митохонд­рий — чем больше клетке приходится «работать», тем больший объём они занимают (до 40% общего объёма клетки).

КЛЕТОЧНЫЙ ЦЕНТР. Деление клетки (см. ст. «Генетика») час­то называют «танцем хромосом». Но хромосомы в этом «танце» не самостоятельны: их движениями с помощью длинных нитей (микро­трубочек) руководит опытный «танцмейстер». Речь идёт об орга­ноиде, открытом в 1875 г. и названном «клеточным центром». Он имеется в клетках животных и некоторых растений и грибов.

Основная часть клеточного центра — два цилиндра (центриоли), состоящие из микротрубочек.

ОСОБЕННОСТИ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
За исключением клеточного центра, все перечисленные органоиды имеются в клетках всех растений, животных и грибов. Но в клетках растений есть и такие органоиды, которых в клетках живот­ных нет.

ВАКУОЛЬ. Вакуоль в растительных клетках — хранилище клеточного сока. Вакуоль для клетки — то же, что и кладовая для рачительного хозяина. Только эта кладовая достигает огромных раз­меров, занимая иногда 90% объёма растительной клетки. Что же хранят клетки в своих «кладовых»? Обычно это соли, витамины и сахара, иногда — растворимые белки. В вакуоль клетка может отправлять и ядовитые для неё продукты обмена, например никотин, кофеин. В животных клетках крупных вакуолей не встречается.

ПЛАСТИДЫ. Пластиды имеют такую же историю, как и мито­хондрии: из случайных «жильцов» они превратились в неотъемлемую часть клетки. Внутреннее строение митохондрий и пластид сходно. Но если митохондрии, по предположению учёных, произошли от бактерий, то пластиды — от синезелёных водорослей. Встречаются пластиды только в растительных клетках.

Когда мы видим, как осенний лес сменяет зелёную окраску листьев на жёлтую и красную или как зеленеет полежавший на свету клубень картофеля, мы наблюдаем превращение одних пластид в другие.

Зелёные пластиды называются хлоропластами. В них происходит фотосинтез (см. ст. «Фотосинтез»). Они являются как бы маленькими солнечными батареями. В растительных клетках может быть от одного до нескольких сотен хлоропластов.

Хлоропласты могут самостоятельно передвигаться внутри клетки. От слишком яркого света они, например, укрываются за «шторами» клеточных мембран. Любопытным образом «ведёт себя» хлоропласт в форме пластинки у зелёной водоросли мужоции. При слабом свете он подставляет ему свою широкую часть, а от яркого света «прячет­ся», поворачиваясь боком.

Бесцветные пластиды, запасающие питательные вещества (масла, крахмал), — лейкопласты. Лейкопласты картофельного клубня, на­полненные крахмалом, под влиянием света превращаются в хлоропласты, отчего и зеленеет клубень.

Когда дерево готовится к листопаду, его хлоропласты превраща­ются в ярко окрашенные хромопласты. То же происходит при созре­вании фруктов, когда зелёный плод превращается в спелый. Хромо­пласты также расцвечивают лепестки цветов.





МОЖНО ЛИ УВИДЕТЬ КЛЕТКУ?
Организм взрослого человека состоит пример­но из 100 триллионов клеток. Как вы думае­те, из скольких клеток состоит только что отложенное куриное яйцо? Оказывается, в птичьем яйце, как и в любой яйцеклетке, — все­го одна-единственная клетка, окружённая множе­ством оболочек. Во многих случаях разглядеть яйцеклетку труда не представляет.

В весеннем пруду обычно нетрудно найти прозрачные «лепёшки» лягушачьей икры с мно­гочисленными чёрными точками внутри. Каждая такая чёрная точка в свежеотложенной икре — тоже единственная клетка (яйцеклетка).

Организмы, состоящие из одной клетки (амёбы, инфузории, многие водоросли), иногда также хорошо видны невооружённым глазом. Их длина достигает нескольких миллиметров, а порой и сантиметров.

В мякоти плодов арбуза или апельсина, если присмотреться, тоже можно различить отдель­ные клетки. У арбуза в центральной части плода налитые соком клетки достигают 1 мм в диаметре. Клетки многоклеточных животных — одни из самых мелких, но и их можно в некото­рых случаях увидеть. Взяв каплю крови у аксолотля (это земноводное некоторые любители держат в домашних аквариумах) и вы­пустив её в небольшое количество воды, налитой на стекло, вы увидите на тёмном фоне крохот­ные комочки — кровяные клетки.

ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ КЛЕТКИ

«Природа создала все существа по одному плану строения, одинаковому в принципе, но бесконечно варьирующему в деталях». Такое мнение высказывал в нача­ле XIX в. французский зоолог Этьенн Жоффруа Сент-Илер. Упорно, невзирая на общее предубеждение, Сент-Илер отстаивал эти свои научные взгляды. На знаменитом публичном диспуте с Жоржем Кювье Сент-Илер попытался доказать сходство плана строения позвоночных животных и головоногих моллюсков. Кювье блестяще и убедительно разбил доводы Сент-Илера. А ведь теперь мы можем ска­зать, что Сент-Илер был... прав. Только напрасно он искал единый план строения на уровне организмов в целом, к то­му же столь далёких друг от друга. Но на уровне клетки единство строения всех живых существ общепризнанно. Клетки всех живых организмов сходны (гомологичны) между собой. Это также одно из положений клеточной теории.

Подобно тому как организм состоит из отдельных орга­нов, клетка состоит из многих частей, ответственных за питание, выделение, размножение и т. д. Эти составные части клетки назвали органоидами. В клетке растения, животного, гриба мы находим одни и те же органоиды (хотя есть и различия).

Учёные открывали и изучали новые органоиды на протя­жении десятилетий и даже столетий. В изучении клетки можно выделить две эпохи: световой и электронной микро­скопии.

Невооружённым глазом можно разглядеть предметы раз­мером не менее десятой доли миллиметра. Изобретённый в 1590 г. голландскими механиками братьями Яном и Захарией Янсенами микроскоп позволил увеличить этот пре­дел видимости в десятки, а позднее и в сотни раз.

Хоть острым взглядом нас природа одарила, Но близок оного конец имеет сила. Коль много микроскоп нам тайностей открыл, Невидимых частиц и тонких в теле жил!

(Михаил Ломоносов)

Сегодня самый лучший световой микроскоп позволяет рассмотреть детали, в 500 раз более мелкие, чем видимые глазу. Но не более мелкие! Световые волны просто огибают всю остальную «мелочь», как волны моря перекатываются через валуны среднего размера, не замечая их. Остаётся сде­лать волны более короткими, превратить их в «мелкую рябь», чтобы они наталкивались даже на небольшие «ка­мешки».

В электронный микроскоп, созданный в 30-е гг. XX в., можно разглядеть несравненно больше деталей строения клетки, чем в световой. Вместо видимого света объект освещается направленным пучком электронов. Современные электронные микроскопы увеличили «предел видимости» ещё в 2 тыс. раз по сравнению со световыми. Теперь это — величина, приблизительно равная диаметру атома водорода.

ЧЕМ РАСТЕНИЯ ОТЛИЧАЮТСЯ ОТ ЖИВОТНЫХ?

Попробуем дать определение такого, казалось бы, обычно­го понятия, как «растение». Как будто все мы знаем, что это такое. Каждому, например, ясно, что стройная берёзка, комнатный фикус, зелёный мох — это растения, а муха, ящерица, собака — животные. Но по какому признаку мы их так чётко различаем?

Может быть, по признаку подвижности (растения в отличие от животных вроде бы совершенно неподвижны)? Но вспомним, что зелёные растения всегда тянутся к свету, оду­ванчики и мать-и-мачеха закрыва­ют на ночь свои

соцветия-корзинки. Хищная росян­ка активно ловит листьями насе­комых Тропическая мимоза, разводимая у нас в оранжереях, опускает листочки при прикосновении к ним. А микроскопическая зелёная водоросль (тоже рас­тение!), которая любит поселяться в аквариумах, всегда подплывает к самой освещенной стенке аквариума, покрывая её сплошным зелёным ковром.

Конечно, нельзя не признать, что большинство растений ведёт неподвижный, «прикреплённый» образ жизни. Но всё-таки надёжно­го разграничения растений и животных этот признак не даёт.

В таком случае, наверное, зелёный цвет — это как раз и есть отличительный признак рас­тений? Зелёный цвет растениям придаёт содержащийся в их тка­нях хлорофилл, благодаря которо­му происходит один из самых замечательных процессов в природе — фотосинтез (см. ст. «Фотосинтез»). Да, у животных и грибов хлорофилла нет, и к фотосинтезу они неспособны. Но и некоторые растения утратили эту способность, как и зелёную окраску (об этом рассказано в статье «Растения-паразиты»). Значит, и этот признак — не универсальный.

Может показаться стран­ным, но со строго научной точки зрения чёткая граница между рас­тениями и другими живыми суще­ствами проходит на микроскопическом уровне. А имен­но — клетки растений окружены плотной клеточной стенкой, образованной из целлюлозы. У животных клеток такой стенки нет.

Именно взгляд на клеточные стенки заставил первооткрыва­теля клеток Гука вспомнить мо­настырские кельи с их прочными стенами. Конечно, как в стенах домов имеются окна и двери, так и в клеточных стенках имеются поры, сквозь которые из одних клеток в другие поступают различные вещества.



Клетка растения.

Зелёным цветом обозначены хлоропласты,

оранжевым — хромопласты,

фиолетовым — ядро,

коричневым — митохондрии.

В центре клетки — крупная вакуоль.

КЛЕТКИ В ПРОБИРКЕ

В 1907 г. американский биолог Росс Харрисон сообщил об удивительном факте: ему удалось несколько недель сохранять живыми в пробирке клетки заро­дыша лягушки. Это положило на­чало выращиванию клеток вне организма.

А в 1950 г. в США была впер­вые получена культура клеток че­ловека. Клетки раковой опухоли взяли у чернокожей американки Генриэтты Лэкс (хотя во многих учебниках эту женщину почему-то называют Элен Лайн). Культу­ру клеток назвали по её инициалам HeLa. Постепенно эти клетки стали «эталоном», с ко­торым биологи всего мира сравнивают результаты своих опытов. Любопытно, что за годы выращивания в культуре клетки HeLa приобрели высокую степень выживаемости. Случайно попав в другую клеточную культуру, эти агрессивные пришельцы быстро вытесняют первоначальных «жильцов» и занимают их место.

Клетки HeLa продолжают жить в лабораториях, хотя их хозяйка умерла много де­сятилетий назад.