Три тайны жизни

С 70-х годов этого же столетия стал изготовлять микроскопы и с помощью их производить исследования голландец Антони ван Левенгук (1632–1723 гг.). Он достиг увеличения объектов до трехсот раз. С помощью своего прибора Левенгук впервые увидел в капле воды простейшие одноклеточные организмы — инфузории, открыл в крови красные кровяные тельца, обнаружил мужские половые клетки и многое другое.

В конце XVIII столетия большой вклад в развитие микроскопии внесли русские ученые. В России впервые были изготовлены микроскопы с наиболее усовершенствованными оптическими свойствами.

М. В. Ломоносов использовал микроскоп при изучении тонкого строения минералов.

Роберт Гук, рассматривая через микроскоп растения, обнаружил в их тканях ячеистое строение, напоминающее пчелиные соты. Он назвал эти ячейки греческим словом «целлюля», то есть клетка. Правда, Р. Гук видел только оболочки мертвых клеток. Содержимое клеток было обнаружено значительно позже — впервые в 1839 году — чешским ученым Яном Пуркинье и было названо протоплазмой, то есть первичной плазмой. В 1831 году английский ученый Роберт Броун установил наличие в клетках ядер.

В начале XIX столетия начались широкие микроскопические исследования различных животных и растительных организмов. Эти исследования дали возможность двум немецким ученым Шлейдену и Шванну создать клеточную теорию. Она была сформулирована в 1839 году в работе Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Как об этом говорит само название работы, было доказано сходство в микроскопическом строении животных и растений.

Впоследствии был открыт и изучен огромный по своему разнообразию мир одноклеточных организмов. В настоящее время достоверно доказано, что общее микроскопическое строение имеют не только многоклеточные животные и растения, но и одноклеточные организмы.

Установлено также, что сходство всех живых существ заключается именно в химическом составе протоплазмы клеток. Таким образом, клетки являются той элементарной основой любого организма, в которой совершаются все жизненные отправления. Но прежде чем удалось доказать микроскопическое единство всех существующих на земле организмов, потребовался более чем вековой упорный труд многих ученых мира.

Изучить строение протоплазмы оказалось еще труднее: она прозрачна и в обычном свете ее почти не видно. Но это препятствие было устранено. Ученые стали окрашивать протоплазму клеток.

Однако в клеточной организации имеются такие мелкие структуры, которые невозможно различить под обычным световым микроскопом. В последние десятилетия нашего столетия был изобретен электронный микроскоп, дающий увеличение объектов в двести-триста тысяч раз. Стало возможным наблюдать даже отдельные крупные молекулы и их агрегаты.

С помощью современных методов научных исследований, новейших достижений физики, химии и техники получено очень много важных сведений не только о строении, но также и о функции клетки. Клетка представляет собой своего рода современный «химический завод».

Схема строения клетки: 1 — цитоплазма; 2 — аппарат Гольджи; 3 — центросома; 4 — ядро; 5 — ядрышки; 6 — ядерная оболочка; 7 — эндоплазматическая сеть с сидящими на ней рибосомами; 8 — хондриосомы; 10 — хлоропласты; 11 — вакуоль.

Даже в самой просто устроенной бактериальной клетке совершается до двух тысяч различных химических реакций. Все они строго согласованы между собой, продукты одних сразу же используются как «сырье» или же катализаторы для других, в результате чего при обычных условиях (температуре, давлении и т. п.) в течение весьма малого времени в клетке создаются (синтезируются) сложнейшие органические вещества, специфические для данной клетки.

Все клетки животных, растений и микроорганизмов, хотя и отличаются по размерам, функциям и внешнему строению, имеют общую структурную и физико-химическую основу. Каждая клетка имеет протоплазму, которая состоит из ядерного содержимого — кариоплазмы и собственно содержимого клетки — цитоплазмы.

Живое вещество клетки — протоплазма обладает удивительными свойствами. Все тела и вещества в природе обычно бывают в каком-либо одном физическом состоянии — твердом, жидком или газообразном. Протоплазма же одновременно обладает как свойствами жидкого, так и твердого тела. Она находится в постоянном движении, изменяет свою форму согласно форме клеток, но способна вытягиваться в нитевидные образования и обладает высокой эластичностью. В состав протоплазмы входят все сложнейшие органические вещества — белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Кроме того, в настоящее время установлено, что клетка является самой богатой в природе кладовой по содержанию минеральных элементов. В ней обнаружено около шестидесяти из ста четырех известных на нашей планете элементов.

Минеральные элементы, как и органические вещества протоплазмы, участвуют в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Например, ионы железа, меди и других металлов принимают активное участие в процессе дыхания. Без железа гемоглобин крови человека и высших животных не способен осуществлять свою важнейшую функцию — перенос кислорода в организме. При отсутствии магния зеленый пигмент растений — хлорофилл — не в состоянии осуществлять синтез органических веществ в листьях. Ионы кальция и магния принимают активное участие в жизнедеятельности ядер клеток. Кальций является также необходимым составным веществом костей скелета животных и человека, а фосфор — непременный элемент протоплазмы нервных и других клеток и т. п.

Но процессы органического и минерального обмена не могли бы осуществляться без воды, которая составляет большой удельный вес (75–80 %) в протоплазме клеток.

В клетках содержатся весьма мелкие структуры, называемые органоидами. Они являются живыми частями клетки, имеют специфическое строение, химический состав и выполняют весьма сложные физиологические функции. Органоиды связаны с основными проявлениями жизнедеятельности клетки и организма в целом. В настоящее время обнаружены и изучены в какой-то степени следующие органоиды в животных, растительных и бактериальных клетках: хондриосомы, рибосомы, внутриклеточный аппарат, центросомы, пластиды, эндоплазматическая сеть и вакуоли.

Хондриосомы (их называют еще митохондриями) содержатся во всех клетках живых организмов. Размеры их сильно варьируют от очень мелких, лежащих на границе видимости светового (обычного) микроскопа, до более массивных, похожих на зерна, палочки или нити образований.

По биохимическим данным, хондриосомы состоят из белков, жиров, нуклеиновых кислот, содержат витамины А, С и большое количество ферментов, ускоряющих различные процессы обмена веществ в клетке.

Хондриосомы участвуют в окислительно-восстановительных процессах обмена веществ, являются своеобразными «силовыми станциями» клетки. В них происходит окисление углеводов, а выделившаяся при этом энергия идет на образование энергетических комплексов, состоящих из сложного вещества — аденозинтрифосфорных кислот (АТФ). Это очень неустойчивое соединение, и самопроизвольно или под воздействием ферментов в АТФ происходит разрыв связей между элементами (фосфором и кислородом). Освобождающаяся при расщеплении молекул АТФ энергия используется в различных функциях клетки — при мышечной работе, секреторной деятельности, при синтезе сложных веществ — углеводов, жиров, белков и др.

Рибосомы — очень мелкие зернышки, содержащиеся в цитоплазме, хорошо заметны при больших увеличениях микроскопа. В состав рибосом входят жиры, нуклеиновые кислоты и белки. Из минеральных элементов в рибосомах обнаружены азот, фосфор, железо и медь. Установлено, что в рибосомах осуществляется синтез белков.

Внутриклеточный аппарат, или комплекс Гольджи (назван так в честь итальянского ученого, описавшего этот органоид), обнаружен также в клетках всех животных и растений. Он имеет вид сетей, состоящих из системы переплетающихся между собой нитей, палочек или пузырьков, которые становятся видимыми на препаратах, окрашенных специальными методами с применением солей серебра. Внутриклеточный аппарат располагается обычно около ядра или вокруг него. Аппарат Гольджи на своей поверхности накапливает как продукты обмена данной клетки, так и вещества, поступающие в клетку извне. Таким образом, этот органоид защищает клетку и организм в целом от вредного действия ненужных веществ.