Зарождение жизни в горячей воде

Научные исследования показывают, что зарождение жизни в минеральной воде и, в особенности, гейзерах наиболее вероятно. В 2005 г. академик Юрий Викторович Наточин высказал предположение, отличное от общепринятой концепции возникновения жизни в море, и аргументировал гипотезу, согласно которой средой возникновения протоклеток были водоемы с преобладанием ионов К+, а не морская вода с доминированием ионов Na+[6]. В 2009 г. Армен Мулкиджанян и Михаил Гальперин на основе анализа содержания элементов в клетке также пришли к выводу, что, вероятно, жизнь зародилась не в океане[7]. Дейвид Уард доказал, что в горячей минеральной воде появились и сейчас образуются строматолиты[8]. Самые древние строматолиты были обнаружены в Гренландии. Их возраст насчитывает 3,5 миллиардов лет. В 2011 г. Тадаси Сугавара создал протоклетку в горячей воде[9]. Исследования Мари-Лор Пон минерала серпентина в геологической формации Исуа, Гренландия, в 2011 г. показали, что жизнь могла зародиться и в грязевых вулканах[10]. Лауреат Нобелевской премии биолог Джек Шостак отметил, что мы можем легче представить себе накопление органических соединений в первичных озёрах, чем в океане. Такого же мнения группа учёных под руководством Евгения Кунина[11]

 

4. Клетка. Основные органеллы и функции

Кле́тка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо состоят из множества клеток (многоклеточные животные, растения и грибы), либо являются одноклеточными организмами (многие простейшие и бактерии). Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии. В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии.

Органеллы — постоянные внутриклеточные структуры, имеющие определенное строение и выполняющие соответствующие функции.

Органеллы делятся на две группы: мембранные и немембранные.

Мембранные органеллы представлены двумя вариантами: двумембранным и одномем-бранным. Двумембранными компонентами являются пластиды, митохондрии и клеточное ядро. К одномембранным относятся органеллы вакуолярной системы — эндоплазматический рети-кулум, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли растительных и грибных клеток, пульсирующие вакуоли и др.

К немембранным орга-неллам принадлежат рибосомы и клеточный центр, постоянно присутствующие в клетке.

Общим свойством мембранных органелл является то, что все они построены из липопротеидных пленок (биологических мембран), замыкающихся сами на себя так, что образуются замкнутые полости, или отсеки. Внутреннее содержимое этих отсеков всегда отличается от гиалоплазмы.

 Двумембранные органеллы. К двумебранным органеллам относятся пластиды и митохондрии. Пластиды —характерные органеллы клеток автотрофных эукариотических организмов. Их окраска, форма и размеры весьма разнообразны. Различают хло-ропласты, хромопласты и лейкопласты. Хлоропласты в клетке осуществляют процесс фотосинтеза.

Хлоропласты имеют зеленый цвет, обусловленный присутствием основного пигмента — хлорофилла. Хлоропласты содержат также вспомогательные пигменты — каротиноиды (оранжевого цвета). По форме хлоропласты — это овальные линзовидные тельца размером

Лейкопласты — мелкие бесцветные пластиды различной формы. Они бывают шаровидными, эллипсоидными, гантелевидными, чашевидными и т. д. По сравнению с хлоропластами у них слабо развита внутренняя мембранная система.

Хромопласты отличаются от других пластид своеобразной формой (дисковидной, зубчатой, серповидной, треугольной, ром-

бической и др.) и окраской (оранжевые, желтые, красные). Хромопласты лишены хлорофилла и поэтому не способны к фотосинтезу. Внутренняя мембранная структура их слабо выражена.

Митохондрии—неотъемлемые компоненты всех эукариотических клеток. Они представляют собой гранулярные или нитеподобные структуры

Одномембранные органеллы. В клетке синтезируется огромное количество различных веществ. Часть из них потребляется на собственные нужды (синтез АТФ, построение органелл, накопление питательных веществ), часть выводится из клетки и используется на построение оболочки (клетки растений и грибов), глико-каликса (животные клетки). Клеточными секретами являются также ферменты, гормоны, коллаген, кератин и т. д. Накопление этих веществ и перемещение их из одной части клетки в другую либо выведение за ее пределы происходит в системе замкнутых цитоплазматических мембран — эндоплазматической сети, или эндоплазматическом ретикулуме, и комплексе Гольджи, составляющих транспортную систему клеток.

Эндоплазматический ретикулум был открыт с помощью электронного микроскопа в 1945 г. Он представляет собой систему разветвленных каналов, цистерн (вакуолей), пузырьков, создающих подобие рыхлой сети в цитоплазме (рис. 1.10). Стенки каналов и полостей образованы элементарными мембранами.

Комплекс (аппарат) Голъджи открыт в 1898 г. итальянским ученым К. Гольджи. Он представляет собой систему плоских дисковидных замкнутых цистерн, которые располагаются одна над другой в виде стопки и образуют диктиосому. От цистерн отходят во все стороны мембранные трубочки и пузырьки (рис. 1.11). Число диктиосом в клетках варьирует от одной до нескольких десятков в зависимости от типа клеток и фазы их развития.

Лизосомы — это мембранные пузырьки величиной до 2 мкм. Внутри лизосом содержатся гидролитические ферменты, способные переваривать белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты. Лизосомы образуются из пузырьков, отделяющихся от комплекса Гольджи, причем предварительно на шероховатом эн до плазматическом ретикулуме синтезируются гидролитические ферменты.

Вакуоли — крупные мембранные пузырьки или полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком. Вакуоли образуются в клетках растений и грибов из пузыревидных расширений эндоплазматического ретикулума или из пузырьков комплекса Гольджи.

Немембранные органеллы. Клеточный центр. В клетках большинства животных, а также некоторых грибов, водорослей, мхов и папоротников имеются центриоли. Расположены они обычно в центре клетки, что и определило их название Центриоли представляют собой полые цилиндры длиной не более 0,5 мкм. Они располагаются парами перпендикулярно одна к другой (рис. 1.14). Каждая центриоль построена из девяти триплетов микротрубочек.

Основная функция центриолей — организация микротрубочек веретена деления клетки.

Жгутики и реснички — органеллы движения у клеток многих видов живых существ. Они представляют собой подвижные цитоплазм этические отростки, служащие либо для передвижения всего организма (многие бактерии, простейшие, ресничные черви) или репродуктивных клеток (сперматозоидов, зооспор), либо для транспорта частиц и жидкостей (например, реснички мерцательных клеток слизистой оболочки носовых полостей и трахеи, яйцеводов и т. д.).

Рибосомы — это мельчайшие сферические гранулы диаметром 15—35 нм, являющиеся местом синтеза белка из аминокислот. Они обнаружены в клетках всех организмов, в том числе прокариотических. В отличие от других органелл цитоплазмы (пластид, митохондрий, клеточного центра и др.) рибосомы представлены в клетке огромным числом: за клеточный цикл их образуется около 10 млн. штук.

 

 

 

Любая клетка (рис. 1.1) содержит множество структурных единиц меньшего размера, называемых органеллами. Органеллы выполняют специфические функции, например вырабатывают энергию или участвуют в делении клетки. Органеллы окружены со всех сторон жидкой цитоплазмой, а сама клетка отграничена от окружающей среды липидно-белковой оболочкой, называемой клеточной мембраной. Через клеточную мембрану осуществляется активный и пассивный перенос различных веществ внутрь и наружу.

Цитоплазма животной клетки — сложно организованная система, представляющая собой основную массу клетки. Она состоит из коллоидного раствора белков и других органических веществ: 85 % этого раствора — вода, 10 % — белки и 5 % — другие соединения. По своей структуре цитоплазма неоднородна. В ней расположены пластинчатые структуры, или мембраны, которые образуют сложную систему разветвленных каналов. Это так называемая эндо-плазматическая сеть, или ретикулум. Различают гладкий эндоплазматический ретикулум (ГЭР) и шероховатый эндоплазматический ретикулум (ШЭР). ГЭР представляет собой систему гладких внутриклеточных мембран: в этой органелле находятся ферменты, обезвреживающие ядовитые вещества (в частности, оксидазы). На мембранах ГЭР происходят синтез липидов и гидролитическое расщепление гликогена. ШЭР представляет собой систему внутриклеточных мембран с прикрепленными к ним многочисленными рибосомами, которые и придают вид шероховатости.

асть ШЭР находится в прямом контакте с ядерной мембраной. На мембранах ШЭР синтезируются различные виды белков.

Дисковидные мембраны и связанные с ними многочисленные пузырьки представляют собой так называемый комплекс Гольджи. В нем происходит концентрация веществ, которые затем либо используются в клетке, либо секретируются во внеклеточную среду.

В рибосоме, представляющей собой сложную органеллу, осуществляется синтез белка. Рибосомы, расположенные на мембранах эндоплазматической сети (ШЭР) или свободно в цитоплазме. В их состав входят белки и рибонуклеиновые кислоты (РНК) примерно в равном количестве.

Палочковидные органеллы диаметром около 1 мкм и длиной около 7 мкм, носящие название митохондрии, имеют двойную мембрану. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, называют митохондриальным матриксом. Он содержит рибосомы и митохондриальную кольцевую ДНК, специфические РНК, соли кальция и магния. В митохондриях за счет окислительно-восстановительных процессов вырабатывается энергия, которая накапливается в виде молекул аденозинтрифосфата (АТФ). Количество митохондрий в одной клетке может достигать нескольких тысяч. Митохондрии способны к самовоспроизведению.

Органеллы в виде пузырьков, покрытые мембраной, лизосомы, содержат ферменты, расщепляющие белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Лизосомы являются «пищеварительной системой» клетки. В случае разрушения мембраны лизосомы могут переваривать и содержимое цитоплазмы клетки, происходит автолизис (самопереваривание).

Овальные тельца, ограниченные мембраной, пероксисомы, содержат ферменты окисления аминокислот и фермент каталазу, разрушающий перекись водорода (Н2О2). При метаболизме аминокислот образуется Н2О2, которая является высокотоксичным соединением. Каталаза, таким образом, выполняет защитную функцию.

В центре клетки или рядом с ядром обычно располагается «клеточный центр» — центросома. Центросома состоит из двух центриолей и центросферы — особым образом организованного участка цитоплазмы. Центросома участвует в процессе деления клетки, создавая веретено деления.

Ядро клетки является носителем генетического материала и местом, где осуществляется его воспроизведение и функционирование. Оно имеет сложное строение, изменяющееся в процессе клеточного деления. Ядро состоит из кариоплазмы, нескольких ядрышек и ядерной оболочки. В кариоплазме содержатся обязательные элементы ядра — хромосомы. ДНК хромосом в ядре обычно находятся в комплексе с белками. Такие ДНК-белковые комплексы называются хроматином (от греч. chromatos — цвет, краска) по их способности хорошо окрашиваться красителями. В интерфазных клетках хроматин распределен по всему ядру или располагается в виде отдельных глыбок. Это обусловлено тем, что во время интерфазы хромосомы деконденсированы (раскручены) и представлены очень длинными нитями, которые служат матрицами для последующего синтеза белков. Они и составляют нити хроматина, максимальная конденсация которых происходит во время митотического деления клеток с образованием хромосом.

Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой. Ядерная оболочка состоит из двух слоев, разделенных перинуклеарным пространством. По всей поверхности ядерной оболочки равномерно распределены ядерные поры, через которые происходит перенос веществ как из ядра, так и в обратном направлении.

Ядрышко представляет собой область внутри ядра, являющуюся производной некоторых хромосом. В ней локализованы гены, кодирующие молекулы рибосомных РНК. Плотная центральная зона ядрышка содержит ДНК-белковые комплексы, и здесь происходит транскрипция генов рибосомных РНК. Ядро может содержать от одного до нескольких ядрышек.

 Рассмотренные органеллы являются обязательными элементами клетки. В некоторых случаях в цитоплазме клетки выявляются различные включения. Они не являются обязательным компонентом, поскольку представляют различные продукты метаболизма (белки, жиры, пигментные зерна, кристаллы солей мочевой кислоты и т.п.). В случае необходимости эти вещества могут быть использованы самой клеткой или организмом либо выведены из организма.

 

 25. Первичные и вторичные функции целлюлозы у растений

Целлюлоза представляет собой полимер бета-глюкозы. В отличие от крахмала и гликогена этот полисахарид выполняет структурную функцию. Когда две молекулы бета-глюкозы соединяются друг с другом, группа —ОН при 1-м углеродном атоме может прийти в контакт с группой —ОН при 4-м атоме лишь в том случае, если одна из молекул будет повернута относительно другой на 180°. Связано это с тем, что группа —ОН при 1 -м атоме располагается под плоскостью кольца, а группа —ОН при 4-м атоме — над ней. Таким образом, каждый следующий остаток в молекуле целлюлозы повернут относительно предыдущего на 180°. Именно это и отличает молекулы целлюлозы от молекул крахмала и позволяет изготавливать из целлюлозы футболки, которые мы все носим.

В целлюлозе заключено около 50% углерода, находящегося в растениях, и по общей своей массе целлюлоза на Земле занимает первое место среди всех органических соединений. Практически всю целлюлозу поставляют растения, хотя она встречается также у некоторых низших беспозвоночных и у примитивных групп грибов. Такое большое количество целлюлозы на Земле, обусловлено тем, что у всех растений из нее построены клеточные стенки: в среднем 20—40% материала клеточной стенки составляет именно целлюлоза.

Строение молекул целлюлозы делает их как нельзя лучше приспособленными для этой роли. Они представляют собой длинные цепи — приблизительно из 10 000 остатков глюкозы. Эти цепи, в которых остатки глюкозы соединены бета-1,4-связями, прямолинейны в отличие от цепей крахмала, альфа-1,4-связи которых делают их способными изгибаться и свертываться. Из каждой такой цепи выступает наружу множество —ОН-групп. Эти группы направлены во все стороны и образуют водородные связи с соседними цепями, что обеспечивает жесткое поперечное сшивание всех цепей. По 60—70 цепей объединены друг с другом в микрофибриллы, а последние в свою очередь собраны в пучки, т. е. в более крупные структуры, называемые макрофибриллами. Прочность на разрыв при таком строении чрезвычайно велика (некоторое представление об этом дает испытание на разрыв такого материала, как хлопок, состоящего почти полностью из целлюлозы). В клеточной стенке слои целлюлозных макрофибрилл погружены в цементирующий матрикс, состоящий из других полисахаридов, что придает всей структуре еще большую прочность. Таким образом, растительные клетки одеты оболочкой, состоящей из нескольких слоев целлюлозы. Она предохраняет их от разрыва, когда внутрь под действием осмотических сил поступает вода, и она же в какой-то мере определяет их форму, поскольку направление, в котором может растягиваться клетка, зависит от того, как располагаются в клеточной стенке целлюлозные слои. С поступлением воды клетка растягивается и внутри нее нарастает давление — клетка становится тургесцентной. У растений, лишенных древесины, именно тургесцентные клетки обеспечивают растению опору. При всей своей прочности слои целлюлозы легко пропускают воду и растворенные в ней вещества — свойство, весьма существенное для активно функционирующих растительных клеток.

Помимо того что целлюлоза является одним из структурных компонентов растительных клеточных стенок, она служит также и пищей для некоторых животных, бактерий и грибов. Фермент целлюлаза, расщепляющий целлюлозу до глюкозы, сравнительно редко встречается в природе. Поэтому большинство животных, в том числе и человек, не могут использовать целлюлозу, хотя она представляет собой практически неисчерпаемый и потенциально очень ценный источник глюкозы. Однако у жвачных животных, например у коровы, в кишечнике обитают в качестве симбионтов бактерии, которые переваривают целлюлозу.

Чрезвычайное обилие целлюлозы в природе и сравнительно медленный ее распад важны в экологическом плане, ибо они означают, что большое количество углерода остается «запертым» в этом веществе, а между тем углерод абсолютно необходим всем живым орга-нимам. Промышленное значение целлюлозы огромно. Из нее изготовляют, в частности, хлопчатобумажные ткани, бумагу, клейкую ленту на бумажной основе и т. п..

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: