КАМЕНСКИЙ А.А.,
СОКОЛОВА Н.А.,
ТИТОВ С.А.

Продолжение. См. No 16/2000

Ответы на вопросы по биологии

(11-й класс)

6. Обоснуйте принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы

В клетках живых организмов содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. В состав клетки входит большинство из 109 элементов периодической системы Менделеева, причем клетки бактерий, грибов, растений и животных имеют сходный химический состав. Особенно велико содержание в клетках кислорода (65–75%), углерода (15–18%), водорода (8–10%) и азота (1,5–3,0%); в сумме эти элементы составляют почти 98% всего элементного состава клетки. Следующая группа включает восемь элементов, содержание которых в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Это сера (0,15–0,2%), фосфор (0,2–1,0%), хлор (0,05–0,1%), калий (0,15–0,4%), магний (0,02–0,03%), натрий (0,02–0,03%), кальций (0,04–2,0%) и железо (0,01–0,015%). В сумме эти элементы составляют 1,9%. Микроэлементы – цинк, медь, фтор, йод – содержатся в клетках в ничтожных долях процента (0,0001–0,0003%), но при недостатке их возникают серьезные нарушения обмена веществ.
Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Таким образом, существует принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы, выявляющееся на атомном уровне организации материи. На более высоком уровне организации – молекулярном – между живым и неживым обнаруживаются существенные различия.

7. В чем отличие обмена веществ у живых организмов от обменных процессов, протекающих в неживой природе?

Живая клетка постоянно обменивается веществами с внешней средой. Через живые системы проходят потоки веществ и энергии: именно поэтому их и называют открытыми системами. Под обменом веществ и энергии в живой материи понимают последовательное потребление, превращение, использование, накопление и потерю веществ и энергии в живых организмах в процессе жизни. Обмен веществ лежит в основе роста, развития и самовоспроизведения организмов, адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды. Этот процесс состоит из непрерывно протекающих реакций синтеза (ассимиляции) и расщепления (диссимиляции) органических молекул.
Для обменных процессов, протекающих в неживой природе, свойственно многократное («бесконечное») повторение процессов превращения и перемещения веществ, характеризующееся более или менее четко выраженной цикличностью. Такой круговорот веществ происходит во всех геосферах; он складывается из отдельных процессов круговорота химических элементов. При этом происходит частичное рассеивание, местная концентрация вещества, изменение его состава и т.д. Таким образом, в отличие от обмена веществ в живой природе, в обменных процессах, происходящих в неживой природе, невозможно выделить взаимосвязанные процессы ассимиляции и диссимиляции. Круговорот веществ в неживой природе не преследует целей роста, развития, самовоспроизведения и адаптации, т.к. эти характеристики свойственны только живым организмам.
Однако надо хорошо понимать, что с появлением на Земле жизни и возникновением биосферы обменные процессы, протекающие в неживой природе в живых системах, оказались взаимосвязаны. Согласно закону биогенной миграции атомов Вернадского «миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (кислород, углекислый газ, водород и т.д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Землю в течение всей геологической истории».

8. Докажите, что клетки, ткани и органы в сумме еще не представляют собой целостный организм

В многоклеточном организме клетки объединены в различные органы и ткани и специализированы для выполнения разных функций. В зависимости от выполняемой функции клетки имеют разную организацию. Так, например, в мышечных клетках имеются миофибриллы и протофибриллы, в секретирующих – специфические гранулы, в эритроцитах – гемоглобин и т.д. Совокупность клеток, сходных по строению, происхождению и выполняемым функциям, представляет собой ткань. Определенный комплекс тканей составляет орган, выполняющий одну или несколько функций; органы входят в состав систем органов (дыхательной, сердечно-сосудистой и др.). Особь представляет собой системную совокупность органов, которой свойственна способность к саморегуляции и адаптации к условиям окружающей среды. Искусственно выделенные из такой системы клетка, ткань или орган не способны к длительному существованию.
Клетке одноклеточного организма (бактерии, одноклеточные водоросли, простейшие) свойственны все характеристики целостного организма; такая клетка-организм может существовать самостоятельно, т.к. она способна к саморегуляции и адаптации. Появление в процессе эволюции многоклеточности (первыми многоклеточными организмами были водоросли) привело к тому, что отдельная клетка потеряла свою самостоятельность. Однако на первом этапе развития многоклеточности дифференцированных тканей еще не было (тело водорослей представляет собой слоевище, или таллом); позднее появились различные ткани и органы, объединенные в единый организм сложными системами регуляции.

9. Раскройте основные положения клеточной теории. Каково ее значение для развития науки?

Все живые организмы состоят из клеток. Клетка – это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живой материи; это элементарная живая система. Неклеточные организмы – вирусы – могут размножаться только в клетках. Существуют и организмы, вторично утратившие клеточное строение (некоторые водоросли).
Различные клетки отличаются друг от друга по строению (не имеют оформленного ядра у прокариот и имеют оформленное ядро у эукариот, могут иметь различные органоиды, растительные клетки имеют целлюлозную оболочку, пластиды и т.д.), размерам (размеры клеток колеблются от 1 мкм до нескольких сантиметров – это яйцеклетки рыб и птиц), форме (могут быть круглыми, как эритроциты, древовидными, как нейроны, веретенообразными, как мышечные клетки), биохимическим характеристикам (например, в клетках, содержащих хлорофилл или бактериохлорофилл, идет процесс фотосинтеза, который невозможен при отсутствии этих пигментов), функциям (различают половые клетки – гаметы и соматические – клетки тела, которые, в свою очередь, подразделяются на множество разных типов).
История изучения клетки связана с именами таких ученых, как Роберт Гук (впервые применил микроскоп для исследования тканей и на срезе пробки и сердцевины бузины увидел ячейки, которые и назвал клетками), Антони ван Левенгук (впервые увидел клетки под увеличением в 270 раз), Маттиас Шлейден и Теодор Шванн (явились создателями клеточной теории). В работе «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» (1839 г.) Т.Шванн сформулировал основные положения клеточной теории.

1. Все организмы состоят из одинаковых частей – клеток; они образуются и растут по одним и тем же законам.
2. Общий принцип развития для элементарных частей организма – клеткообразование.
3. Каждая клетка в определенных границах есть индивидуум, некое самостоятельное целое. Но эти индивидуумы действуют совместно, так, что возникает гармоничное целое. Все ткани состоят из клеток.
4. Процессы, возникающие в клетках растений, могут быт сведены к следующим: 1) возникновение новых клеток; 2) увеличение клеток в размерах; 3) превращение клеточного содержимого и утолщение клеточной стенки.

М.Шлейден и Т.Шванн ошибочно считали, что клетки в организме возникают из первичного неклеточного вещества. Позднее Рудольф Вирхов (1859) сформулировал одно из важнейших положений клеточной теории: «Всякая клетка происходит из другой клетки... Там, где возникает клетка, ей должна предшествовать клетка, подобно тому, как животное происходит только с животного, растение – только от растения».
Клеточная теория позволила сформулировать вывод о том, что клетка – это важнейшая составляющая часть всех живых организмов. Клетка – их главный кoмпонент в морфологическом отношении; она является основой развития многоклеточного организма, т.к. развитаие организма начинается с одной клетки – зиготы; клетка – основа физиологических и биохимических процессов в организме, т.к. на клеточном уровне происходят в конечном счете все физиологические и биохимические процессы. Клеточная теория позволила придти к выводу о сходстве химического состава всех клеток и еще раз подтвердила единство всего органического мира.
Современная клеточная теория включает следующие положения.

1. Клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого.
2. Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.
3. Размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления материнской клетки.
4. В сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

10. Дайте сравнительную характеристику строения и жизнедеятельности прокариот и эукариот

Прокариоты (лат. про – перед и гр. карион – ядро) – это древнейшие организмы, не имеющие оформленного ядра. Носителем наследственной информации у них является молекула ДНК, которая образует нуклеоид. В цитоплазме прокариотической клетки нет многих органоидов, которые имеются у эукариотической клетки (митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи и т.д.; функции этих органоидов выполняют ограниченные мембранами полости). В прокариотической клетке имеются рибосомы. Большинство прокариот имеет размер 1–5 мкм. Размножаются они путем деления без выраженного полового процесса. Прокариоты обычно выделяют в надцарство. К ним относят бактерии, синезеленые водоросли (цианеи, или цианобактерии), риккетсии, микоплазмы и ряд других организмов.

Рис. 2. Схема строения растительной клетки

Рис. 1. Схема строения животной клетки

Эукариоты (гр. эу – хорошо и карион – ядро) – организмы, в клетках которых есть четко оформленные ядра, имеющие собственную оболочку (кариолемму) (рис. 1, 2). Ядерная ДНК у них заключена в хромосомы. В цитоплазме эукариотических клеток имеются различные органоиды, выполняющие специфические функции (митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, рибосомы и т.д.). Большинство эукариотических клеток имеет размер порядка 25 мкм. Размножаются они митозом или мейозом (образуя половые клетки – гаметы или споры у растений); изредка встречается амитоз – прямое деление, при котором не происходит равномерного распределения генетического материала (например, в клетках эпителия печени). Эукариоты также выделяют в особое надцарство, которое включает царства грибов, растений и животных.

11. Каковы строение и функции клеточного ядра и клеточного центра?

Клеточное ядро – это часть клетки диаметром 3–10 мкм, окруженная оболочкой (кариолеммой), состоящей из двух мембран. Пространство между наружной и внутренней мембранами (30 нм), заполненно полужидким веществом. Ядерная мембрана имеет такое же строение, как и плазматическая мембрана. В ядерной оболочке есть множество пор (рис. 3), через которые происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Под ядерной оболочкой находится ядерный сок (кариоплазма), в котором содержатся ядрышки и хромосомы.

Рис. 3. Некоторые мембранные системы в клетках эукариот

Ядрышки – это округлые тельца диаметром от 1 до нескольких микрометров. В ядре может быть несколько ядрышек. В состав ядрышек входят РНК и белок. Ядрышки образуются на определенных участках хромосом; в них синтезируется рибосомальная РНК (рРНК). В ядрышках происходит формирование больших и малых субъединиц рибосом. Ядрышки видны только в неделящихся клетках.

Хромосомы (греч. хрома – краска и сома – тело; были так названы из-за способности к интенсивному окрашиванию) – это важнейший органоид ядра, образованный ДНК в комплексе с основным белком – гистоном, содержащим большое количество лизина и аргинина; этот комплекс составляет около 90% вещества хромосом. В состав хромосом входят также РНК, кислые белки, липиды, минеральные вещества и фермент ДНК-полимераза, необходимый для репликации (удвоения) ДНК. Хромосомы могут иметь длину, в десятки и сотни раз превышающую диаметр ядра. В интерфазу (период между делениями) хромосомы деспирализованы, видны только в электронный микроскоп и представляют собой длинные тонкие нити хроматина. В этот период идет процесс удвоения (редупликации) хромосом; в конце интерфазы каждая хромосома состоит из двух хроматид. Она имеет первичную перетяжку, на которой расположена центромера; перетяжка делит хромосому на два плеча одинаковой или разной длины. Центромера служит местом прикрепления нити веретена деления. У ядрышковых хромосом имеется также вторичная перетяжка, где формируется ядрышко.

Функция хромосом заключается в контроле над всеми процессами жизнедеятельности клетки. Хромосомы являются носителями генетической информации. Наследственная информация передается путем репликации молекулы ДНК. Число, размер и форма хромосом строго специфичны для каждого вида.

В половых клетках и в спорах у растений содержится одинарный (гаплоидный) набор хромосом, в соматических клетках – двойной (диплоидный) набор. Бывают также полиплоидные клетки. Различают гомологичные (парные, соответствующие) и негомологичные хромосомы. Хромосомы, определяющие развитие пола, называют половыми. Хромосомы соматических клеток называют аутосомами.

Клеточный центр относится к немембранным компонентам клетки. В состав его входят две центриоли. Центриоли обнаружены не во всех клетках, имеющих клеточный центр (например, их нет у покрытосеменных растений). Каждая центриоль – это цилиндр размером около 1 мкм, по окружности которого расположены девять триплетов микротрубочек. Центриоли располагаются под прямым углом друг к другу. Клеточный центр играет важную роль в организации цитоскелета, т.к. цитоплазматические микротрубочки расходятся во все стороны из этой области. Перед делением центриоли расходятся к противоположным полюсам клетки и возле каждой из них возникает дочерняя центриоль. От центриолей протягиваются микротрубочки, которые образуют митотическое веретено деления. Часть нитей веретена прикрепляется к хромосомам. Формирование нитей веретена происходит в профазе.

12. Раскройте биологическое значение хромосом

Хромосомы (рис. 4) являются носителями материальных основ наследственности – генов. В основе действия гена в процессе развития организма лежит его способность через посредство РНК определять синтез белков. В молекуле ДНК, входящей в состав хромосом, «записана» информация, определяющая химическую структуру белков. См. также ответ на вопрос 11.

Рис. 4. Схематическое изображение типичной метафазной хромосомы

13. Охарактеризуйте строение и функции цитоплазматической мембраны

Цитоплазматическая (или клеточная) мембрана (плазмалемма) – это биологическая мембрана, окружающая протоплазму (цитоплазму) живой клетки. Ее основой является двойной слой липидов (водонерастворимых молекул, имеющих полярные «головки» и длинные неполярные «хвосты», представленные цепями жирных кислот). В мембранах преобладают фосфолипиды, в «головках» которых содержатся остатки фосфорной кислоты. «Хвосты» липидных молекул обращены друг к другу, полярные «головки» смотрят наружу, образуя гидрофильную поверхность. С заряженными «головками» соединяются периферические мембранные белки. Другие белковые молекулы погружены в слой липидов за счет взаимодействия с их неполярными «хвостами». Часть белков пронизывает мембрану насквозь, образуя каналы (или поры). У некоторых клеток мембрана является единственной оболочкой, у других клеток снаружи от мембраны имеется дополнительная оболочка (например, целлюлозная оболочка у растительных клеток). Животные клетки снаружи от мембраны бывают покрыты гликокаликсом – тонким слоем белков и полисахаридов.
Клеточная мембрана выполняет множество важных функций, от которых зависит жизнедеятельность клеток. Одна из них заключается в образовании барьера между внутренним содержимым клетки и внешней средой. Наряду с этим мембрана обеспечивает обмен веществ между цитоплазмой и внешней средой, из которой в клетку через мембрану поступают вода, ионы, неорганические и органические молекулы. Во внешнюю среду через мембрану выводятся продукты обмена и вещества, синтезированные в клетке).
Таким образом, через мембрану осуществляется транспорт веществ. Крупные частицы, образованные молекулами биополимеров, поступают через мембрану благодаря фагоцитозу, явлению, впервые описанному И.И. Мечниковым. Процесс захвата и поглощения капелек жидкости происходит путем пиноцитоза. Важную роль в жизнедеятельности клетки играет рецепторная функция мембраны. В мембранах имеется большое число рецепторов – специальных белков, роль которых заключается в передаче внутрь клетки сигналов извне.
О возникновении мембран в процессе эволюции см. ответ на вопрос 2.

14. Раскройте механизм поступления веществ в клетку

Рис. 5. Схема фагоцитоза

Процесс поступления веществ в клетку называется эндоцитозом. Различают пиноцитоз и фагоцитоз.
Фагоцитоз (греч. фаго – пожирать) – поглощение клеткой твердых органических веществ (рис. 5). Оказавшись около клетки, твердая частица окружается выростами мембраны, или под ней образуется впячивание мембраны. В результате частица оказывается заключенной в мембранный пузырек внутри клетки. Такой пузырек называют фагосомой. Термин «фагоцитоз» был предложен И.И. Мечниковым в 1882 г. Фагоцитоз свойствен простейшим, кишечнополостным, лейкоцитам, а также клеткам капилляров костного мозга, селезенки, печени, надпочечников.
Второй способ поступления веществ в клетку называют пиноцитозом (греч. пино – пью) – это процесс поглощения клеткой мелких капель жидкости с растворенными в ней высокомолекулярными веществами. Осуществляется путем захвата этих капель выростами цитоплазмы. Захваченные капли погружаются в цитоплазму и там усваиваются. Явление пиноцитоза свойственно животным клеткам и одноклеточным простейшим.
Еще один способ поступления веществ в клетку – осмос – прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану клетки. Вода переходит из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Вещества могут также проходить через мембрану путем диффузии – так транспортируются вещества, способные растворяться в липидах (простые и сложные эфиры, жирные кислоты и т.д.). Путем диффузии по градиенту концентрации по специальным каналам мембраны идут некоторые ионы (например, ион калия выходит из клетки).
Кроме того, транспорт веществ через мембрану осуществляет натрий-калиевый насос: он перемещает ионы натрия из клетки и ионы калия в клетку против градиента концентраций с затратой энергии АТФ.
Фагоцитоз, пиноцитоз и натрий-калиевый насос – это примеры активного транспорта, а осмос и диффузия – пассивного транспорта.

15. Каково строение и функции цитоплазмы?

Цитоплазма (греч. цитос – клетка и плазма – вылепленная) – живое содержимое клетки (за исключением ядра). Состоит из мембран и органоидов (ЭПС, рибосом, митохондрий, пластид, аппарата Гольджи, лизосом, центриолей и др.), пространство между которыми заполнено коллоидным раствором – гиалоплазмой. Снаружи цитоплазма ограничена клеточной мембраной (плазмалеммой), внутри – мембраной ядерной оболочки. У растительных клеток имеется еще и внутренняя пограничная мембрана, образующая вакуоли с клеточным соком.
Цитоплазма содержит большое количество воды с растворенными в ней солями и органическими веществами. Цитоплазма – это среда, в которой осуществляются внутриклеточные физиологические и биохимические процессы. Она способна к движению – круговому, струйчатому, ресничному.

16. Назовите органоиды движения клетки и раскройте их значение для ее жизнедеятельности

К клеточным органоидам движения относят реснички и жгутики диаметром около 0,25 мкм, содержащие в середине микротрубочки. Такие органоиды имеются у многих клеток (простейших, одноклеточных водорослей, зооспор, сперматозоидов, в клетках тканей многоклеточных животных, например, в дыхательном эпителии).
Эти органоиды выполняют функцию обеспечения движения (например, у простейших) или способствуют продвижению жидкости вдоль поверхности клеток (например, продвижению слизи в дыхательном эпителии).
Клетки могут передвигаться также с помощью ложноножек (псевдоподий; например, амебы и лейкоциты), но псевдоподии – это временные образования, которые не относят к органоидам движения.

Продолжение следует