Клеточная структура живых систем (организмов)

1. Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования. Вследствие иерархической соподчиненности каждый из уровней организации живой материи должен изучаться с учетом характера ниже и вышестоящего уровней в их функциональном взаимодействии.

Рассмотрим отдельные уровни организации живой материи, начав с низшей ступени, на которой смыкаются биология и химия.

Молекулярно-генетический уровень.

Это тот уровень организации материи, на котором совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого. При изучении молекулярно-генетического уровня достигнута, видимо, наибольшая ясность в определении основных понятий, а также в выявлении элементарных структур и явлений. Развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов вскрыли основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений.

Клеточный уровень.

Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

Любой живой организм состоит из клеток. В простейшем случае — из единственной клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.

Тканевый уровень.

Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образует живую ткань. Из тканей состоят различные органы живых организмов.

Организменный уровень.

Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем. Организменный уровень именуют также онтогенетическим.

Популяционно-видовой уровень.

Он образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция — это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, так же, как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.

Биогеоценотический уровень.

Он образован биоценозами — исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.

Биосферный уровень.

Включает в себя всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения для отдельных биологических наук, то есть условными разграничителями биологического знания. Так, молекулярный уровень изучается молекулярной биологией, генетикой; клеточный уровень служит объектом для цитологии, микробиологии; анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях; зоология и ботаника имеют дело с организменным и популяционно-видовым уровнями; экология охватывает биоценотический и биосферный уровни. http://window.edu.ru/window/library?p_rid=29 647.

2. Фундаментальная частица в биологии — живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации.

Клетка отграничена от других клеток или от внешней среды специальной мембраной и имеет ядро или его эквивалент, в котором сосредоточена основная часть химической информации, контролирующей наследственность.

Существуют одноклеточные организмы, тело которых целиком состоит из одной клетки. К этой группе относятся бактерии и протисты (простейшие животные и одноклеточные водоросли). Настоящие многоклеточные животные (Metazoa) и растения (Metaphyta) содержат множество клеток.

В строении и функциях каждой клетки обнаруживаются признаки, общие для всех клеток, что отражает единство их происхождения из первичных органических комплексов. Частные особенности различных клеток — результат их специализации в процессе эволюции.

Обычно размеры растительных и животных клеток колеблются в пределах от 5 до 20 мкм в поперечнике. Типичная бактериальная клетка значительно меньше — около 2 мкм, а наименьшая из известных — 0,2 мкм.

Обычно 70−80% массы клетки составляет вода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения. Наиболее характерные компоненты клетки — белки и нуклеиновые кислоты. Некоторые белки являются структурными компонентами клетки, другие — ферментами, т. е. катализаторами, определяющими скорость и направление протекающих в клетках химических реакций. Нуклеиновые кислоты служат носителями наследственной информации, которая реализуется в процессе внутриклеточного синтеза белков.

Собственно клетка состоит из трех основных частей. Под клеточной стенкой, если она имеется, находится клеточная мембрана. Мембрана окружает гетерогенный материал, называемый цитоплазмой. В цитоплазму погружено круглое или овальное ядро.

Клетки образуют ткани (нервная, мышечная и т. д.), а несколько типов тканей — органы (сердце, лёгкие и пр.) Группы органов, связанные с решением каких-то общих задач, называют системами органов.

Обмен веществ — важнейшее свойство всего живого. Это свойство называют метаболизмом клеток. Алексеев П. В. Наука и мировоззрение. М., 1983.

3. Клеточная теория — одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений и мира животных, в котором клетка рассматривается в качестве общего структурного элемента растительных и животных организмов. Как и всякое крупное научное обобщение, клеточная теория не возникла внезапно: ей предшествовали отдельные открытия различных исследователей.

Открытие клетки принадлежит английскому естествоиспытателю Р. Гуку, который в 1665 г. впервые рассмотрел тонкий срез пробки под микроскопом. На срезе было видно, что пробка имеет ячеистое строение, подобно пчелиным сотам. Эти ячейки Р. Гук назвал клетками.

Значительный вклад в изучение клетки внес голландский натуралист, один из основоположников научной микроскопии, А. Ван Левенгук, открывший в 1674 г. одноклеточные организмы.

Дальнейшее усовершенствование микроскопа и интенсивные микроскопические исследования привели к установлению французским ученым Ш. Бриссо-Мирбе (1802, 1808) того факта, что все растительные организмы образованы тканями, которые состоят из клеток. Еще дальше в обобщениях пошел Ж. Б. Ламарк (1809), который распространил идею Бриссо-Мирбе о клеточном строении и на животные организмы.

В начале XIX в. предпринимались попытки изучения внутреннего содержимого клетки. В 1825 г. чешский ученый Я. Пуркине открыл ядро в яйцеклетке птиц. В 1831 г. английский ботаник Р. Броун впервые описал ядро в клетках растений, а в 1833 г. он пришел к выводу, что ядро является обязательной частью растительной клетки. Таким образом, в это время меняется представление о строении клетки: главным в ее организации стали считать не клеточную стенку, а содержимое.

Наиболее близко к формулировке клеточной теории подошел немецкий ботаник М. Шлейден, который установил, что тело растений состоит из клеток.

Многочисленные наблюдения относительно строения клетки, обобщение накопленных данных позволили Т. Шванну в 1839 г. сделать ряд выводов, которые впоследствии назвали клеточной теорией. Ученый показал, что все живые организмы состоят из клеток, что клетки растений и животных принципиально схожи между собой.

В момент возникновения клеточной теории вопрос о том, как образуются клетки в организме, не был окончательно выяснен. М. Шлейден и Т. Шванн считали, что клетки в организме возникают путем новообразования из первичного неклеточного вещества. Это представление было опровергнуто к середине XIX в., что нашло отражение в знаменитом афоризме Р. Вирхова (1858): «всякая клетка происходит только от клетки». Дальнейшее развитие цитологии полностью подтвердило, что и клетки животных, и клетки растений возникают только в результате деления предшествующих клеток и никогда не возникают de novo — из «неживого» или «живого» вещества.

Клеточная теория получила дальнейшее развитие в работах немецкого ученого Р. Вирхова (1858), который предположил, что клетки образуются из предшествующих материнских клеток. В 1874 г. русским ботаником И. Д. Чистяковым, а в 1875 г. польским ботаником Э. Страсбургером было открыто деление клетки — митоз, и, таким образом, подтвердилось предположение Р. Вирхова.

Во второй половине XIX и в начале XX вв. Были выяснены основные детали тонкого строения клетки, что стало возможным благодаря крупным усовершенствованиям микроскопа и техники микроскопирования биологических объектов.

Коренное улучшение всей техники микроскопирования позволило исследователям к началу XX столетия обнаружить основные клеточные органоиды, выяснить строение ядра и закономерности клеточного деления, расшифровать механизмы оплодотворения и созревания половых клеток. В 1876 г. был открыт клеточный центр, в 1894 г. — митохондрии, в 1898 г. — аппарат Гольджи.

Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии как науки, послужила фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она позволила создать основы для понимания жизни, индивидуального развития организмов, для объяснения эволюционной связи между ними. Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и сегодня, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клетки.

Клеточная теория включает следующие основные положения:

• 1. Клетка — элементарная единица живого, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению и являющаяся единицей строения, функционирования и развития всех живых организмов.
• 2. Клетки всех живых организмов сходны по строению, химическому составу и основным проявлениям жизнедеятельности.
• 3. Размножение клеток происходит путем деления исходной материнской клетки.
• 4. В многоклеточном организме клетки специализируются по функциям и образуют ткани, из которых построены органы и их системы, связанные между собой межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции.

Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические макромолекулы, являются пределом химической эволюции вещества. Следующий и принципиально иной уровень сложности в организации материи по сравнению с атомарно-молекулярным уровнем — это живая материя, живая природа.

Жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

На основе критерия масштабности выделяют биосферный, биогеоценотический, популяционно-видовой, организменный, тканевый, клеточный и молекулярный уровни организации живого вещества.

Значение клеточной теории в развитии науки состоит в том, что благодаря ей стало понятно, что клетка — это важнейшая составляющая часть всех живых организмов. Она их главный «строительный» компонент, клетка является эмбриональной основой многоклеточного организма, т.к. развитие организма начинается с одной клетки — зиготы. Клетка — основа физиологических и биохимических процессов в организме, т.к. на клеточном уровне происходят, в конечном счёте, все физиологически и биохимические процессы. Клеточная теория позволила придти к выводу о сходстве химического состава всех клеток и ещё раз подтвердила единство всего органического мира. Концепции современного естествознания. Под ред. Лавриненко В. Н. и Ратникова В. П. М., 2006.