Цитология. Клеточная теория. Химический состав клетки (неорганические вещества)

На этой странице вы узнаете

• От торговли тканями до натурализма: к чему А. Левенгука привела любознательность?
• Зачем в живых клетках так много воды?

Клетка — структурная единица всего живого. Мы с вами, растения, животные, грибы — все состоим из клеток. В этой статье мы поговорим о том, откуда люди узнали, что такое клетка и какие особенности этого маленького «кирпичика жизни» позволяют нам быть такими, какие мы есть.

Развитие представлений о клетке

Для начала разберемся с тем, что такое клетка. Как мы уже говорили ранее, клетка — это маленький живой кирпичик, который лежит в основе большого и сложного здания под названием «организм». Разумеется, рассмотреть клетку невооруженным глазом не получится — нужен увеличительный прибор. Именно поэтому до изобретения микроскопа люди не знали и даже не задумывались о том, что такое клетка. 

Самый простой микроскоп был изобретен в 1590 г. Его сконструировали голландские мастера Ханс Янсен и его сын Захарий. Но Янсены только рассказывали всем о том, что они первыми изобрели микроскоп — в 1590 г. своими глазами его никто не видел. Поэтому некоторые историки присваивают первенство в изобретении этого чудо-прибора Галилео Галилею, он сконструировал микроскоп в 1609 г. 

Микроскоп Галилея был еще лучше, чем микроскоп Янсенов: он был снабжен выпуклой и вогнутой линзами, которые улучшали увеличительную способность. 

Как только в народе узнали, что существует микроскоп, каждый уважающий себя богатый человек захотел приобрести эту вещь. Микроскопия стала модной. 

Еще бы! Вы занимались с микроскопом на уроках биологии в школе? Тогда точно знаете, что это очень интересно. 

Пока знать Европы забавлялась с микроскопом, рассматривая все подряд, не спали и ученые. Изобретение такого увеличительного прибора позволило наконец-то разобраться с тем, из чего состоят живые организмы. 

Так, в 1665 году английский физик Роберт Гук, рассматривая срез пробки растения, заметил, что она состоит из маленьких ячеек. Именно он ввел в обиход термин «клетка».

Теперь весь научный мир шокирован новостью о том, что все живое состоит из клеток. Но Р. Гук не описал свойства клеток: он рассматривал мертвую ткань — пробку, в ее клетках не было органоидов и цитоплазмы. 

Кто смог впервые увидеть движение клеток и их внутреннюю среду? 

В 1677 году Антони ван Левенгук пишет письмо в Королевское общество о том, что он увидел в перцовом настое микроскопических «анималей», которые двигаются и очень разнообразны по форме и строению. Открытые натуралистом «анимали» на самом деле оказались бактериями — это можно легко понять по описаниям и рисункам, оставленным А. Левенгуком. Давайте познакомимся поближе с личностью этого ученого.

От торговли тканями до натурализма: к чему А. Левенгука привела любознательность? До того, как микроскопия покорила сердце и все свободное время А. Левенгука, он занимался торговлей тканями. И для того, чтобы не быть обманутым и выбирать хорошие ткани, купец стал рассматривать их структуру с помощью карманного микроскопа. Вскоре микроскоп перестал удовлетворять потребностям Левенгука, и ему пришлось освоить профессию шлифовальщика, чтобы оснастить свои микроскопы новыми линзами хорошего качества. Левенгук прославился как искусный изготовитель линз и микроскопов. По характеру ученый был человеком очень любознательным: он рассматривал под микроскопом все, что только можно. Куриный бульон, кровь, зубной налет, воду из болот и речек, семенную жидкость — перечислять можно бесконечно. Поэтому он совершил очень много полезных открытий: именно А. Левенгук описал бактерии, мышечные волокна, эритроциты и сперматозоиды, а также смог увидеть коловраток и инфузорий.

Теперь, когда ученые узнали, что клетки существуют и бывают такими разнообразными, возник вопрос: а что находится внутри них? Натуралисты начали активно изучать внутреннее устройство клеток. Так, в 1831 г. Роберт Броун открыл клеточное ядро.

Несложно догадаться, что вскоре информации о клетке стало настолько много, что умещать ее в голове стало проблематично. Возникла необходимость систематизации всех сделанных открытий. Именно этим и занялись немецкие ученые Матиас Якоб Шлейден и Теодор Шванн. В 1839 г. они разработали клеточную теорию. Подробнее о ней вы сможете прочитать в следующем разделе статьи.

Клеточная теория

Клеточная теория — это краткое и систематизированное отражение всех знаний о клетки, которые имелись на момент ее создания. Как 10 заповедей для уважающего себя биолога. Чтобы раз и навсегда запомнить положения клеточной теории, давайте мыслить как ее авторы. Наша цель — собрать воедино и разложить по полочкам все основные знания о клетке, которые скопились со времен ее открытия. Поехали!

I положение

Клетки были обнаружены во всех живых организмах, которые ученые рассматривали в микроскоп. Из клеточек состоял и организм жука, и клубень картофеля, и даже кровь человека. Очевидно, что именно строение и функции клеток отвечают за свойства живых организмов. Итак, вот и первое положение клеточной теории: 

Клетка — структурно-функциональная единица живого.

II положение

В клетке было обнаружено ядро и множество других структур, которые у клеток разных организмов были разными. Например, пластиды ученые нашли только в растительных клетках, которые умеют фотосинтезировать. А это значит, что внешний вид и способности самой клетки зависят от ее внутреннего строения: исключим хлоропласты — клетка не будет фотосинтезировать, рибосомы — не будет производить белок. Подытожим и выведем второе положение клеточной теории: 

Клетка — единая система, состоящая из множества взаимосвязанных элементов, представляющих собой целостное образование.

III положение

Несмотря на то, что клетки разных организмов отличаются, у них есть общие черты. Например, и в клетках кожи носорога, и в клетках листа фикуса есть мембрана и цитоплазма, а у всех эукариот можно обнаружить ядро. Подробнее о клеточном ядре и других органоидах вы можете узнать, прочитав статью «Строение клетки 1.0». Значит, скорее всего, все организмы на Земле имеют какого-то общего предка. Сформулируем третье положение: 

Клетки всех организмов сходны по своему химическому составу, строению и функциям, что свидетельствует о единстве живой природы.

Отлично, теперь знания о клетке систематизированы, и ими можно пользоваться для дальнейших открытий. И эти новые открытия не заставили себя долго ждать, поэтому клеточная теория вскоре дополнилась еще двумя новыми положениями.

IV положение

В 1858 г. немецкий ученый Рудольф Вирхов сформулировал четвертое положение клеточной теории: 

Клетка образуется путем деления исходной материнской клетки. 

Вспомните, как размножаются живые организмы — любые процессы размножения так или иначе связаны именно с делением клеток. Это новое, очевидное для нас положение в те времена было настоящей сенсацией. Ранее ученые думали, что клетки образуются сами собой из межклеточного вещества — своеобразного киселя, в котором плавают клетки, но теперь этот миф развеялся.

В настоящее время существует еще одно дополнительное положение: 

В многоклеточных организмах клетки объединяются в ткани и органы. 

Посмотрим на изображение эпителиальной ткани — она состоит из похожих клеток.

Химический состав клетки

В предыдущем разделе статьи мы узнали, что клетки имеют сходное химическое строение. А из чего именно состоит клетка?

В любой живой клетке есть 3 основных компонента:

• вода,
• органические соединения,
• неорганические вещества.

Воды в клетках очень много. К примеру, в клетках развивающегося зародыша ее более 90 процентов. Будто бы и не клетка вовсе, а аквариум с рыбками. 

Зачем в живых клетках так много воды? В первую очередь, именно благодаря воде живые клетки такие упругие — если ее не будет, они сдуются и съёжатся. Вода является универсальным растворителем для большинства химических соединений — клеткам это очень выгодно, ведь в растворенном виде вещества гораздо легче проходят через биологические мембраны, и их гораздо проще переносить по организму. Таким образом, вода выполняет транспортную функцию. Еще одна функция воды — метаболическая, вода нужна для большинства реакций, происходящих в организме.  Также вода выполняет терморегуляторную функцию: она как охлаждающая жидкость в автомобиле циркулирует по кровеносным сосудам и стабилизирует температуру всего тела человека.

Второе место по содержанию в клетке занимают органические соединения. К ним относятся белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Подробнее об этих соединениях вы можете прочитать в статьях «Химический состав клетки. Углеводы и липиды» и «Химический состав клетки. Белки».

Поэтому в любом живом организме в очень больших концентрациях присутствуют углерод С, водород Н, кислород О, фосфор Р и (i, как союз, позже станет понятно зачем) азот N — основные компоненты органических веществ. Такие элементы называются органогенами — они незаменимы и есть в каждой живой клетке без исключения. Их легко запомнить именно в том порядке, в котором мы указали — CHOPiN — так на английском выглядит фамилия польского композитора Ф. Шопена. 

Чтобы понять, какие элементы относятся к органогенам, вспомните строение любой органической молекулы. Давайте рассмотрим строение молекулы глюкозы — в ней очень много углерода и водорода, а также присутствует кислород.

Помимо органогенов, в клетке имеются макро- и микроэлементы. Их присутствие тоже очень важно. Например, недостаток железа в организме человека может вызвать кислородное голодание, а переизбыток — гемохроматоз. Это заболевание, вызывающее головную боль и гиперпигментацию кожи.

Отличаются макро- и микроэлементы процентным содержанием — концентрацией.

Группы элементов по их содержанию в клетках:

Группа	Примеры	Концентрация, %
Макроэлементы	O, C, H, N, P (органогены) Ca, K, Si, Mg, S, Na, Cl, Fe	98 — 99 1 — 2
Микроэлементы	Mn, Co, Zn, Cu, B, I, F, Mo	0,1
Ультрамикроэлементы	Se, U, Hg, Ra, Ag, Au	меньше 0,01

Микроэлементы в клетке находятся обычно в составе минеральных солей. Они выполняют множество функций:

• Поддерживают кислотно-основное равновесие.
• Создают осмотическое давление клетки.
• Создают мембранный потенциал клетки (натрий-калиевый насос).
• Участвуют в активации ферментов.

Давайте разберем, что такое кислотно-основное равновесие. Соли могут создавать в растворе кислую или щелочную среду. Для того, чтобы кислотность среды в клетке не изменялась, концентрации солей должны быть постоянными. Подробнее о влиянии солей на кислотность среды вы можете прочитать в статье по химии «Гидролиз солей».

Осмотическое давление заставляет воду перемещаться внутрь и из клетки, оно имеет очень важное значение. По закону осмоса вода движется за солью: туда, где концентрация соли больше. Благодаря осмотическому давлению концентрация солей в клетке остается постоянной. Таким образом поддерживается гомеостаз.

Гомеостаз — это постоянство внутренней среды.

О натрий-калиевом насосе и мембранном потенциале клетки мы рассказали в статье «Строение клетки 1.0», где разобрали функции мембраны и транспорт веществ. 

Фактчек

• Р. Гук открыл клетку и ввел этот термин.
• А. Левенгук изучил клетку подробнее, обнаружил эритроциты, сперматозоиды и бактерии.
• М. Шлейден и Т. Шванн сформулировали клеточную теорию.
• Р. Вирхов дополнил клеточную теорию.
• Клетка состоит из воды, органических и неорганических соединений.
• Различают органогены, макро-, микро- и ультрамикроэлементы в составе клетки.

Проверь себя

Задание 1.
Какое положение клеточной теории было сформулировано Р. Вирховым?

1. Клетка — структурно-функциональная единица живого.
2. Клетки обладают сходным строением.
3. В многоклеточных организмах клетки образуют ткани.
4. Клетка образуется путем деления исходной материнской клетки.

Задание 2.
Кто открыл наличие в клетке ядра?

1. Р. Гук
2. А. Левенгук
3. Р. Броун
4. М. Шлейден

Задание 3.
Какой из перечисленных химических элементов относится к органогенам?

1. водород
2. железо
3. кремний
4. ртуть

Задание 4.
Выберите функцию воды в клетке:

1. запасающая
2. ферментативная
3. транспортная
4. иммунная

Задание 5.
Одним из авторов клеточной теории является…

1. К. Бэр
2. Р. Гук
3. З. Янсен
4. Т. Шванн

Ответы: 1. — 4; 2. — 3; 3. — 1; 4. — 3; 5. — 4.