Доклеточные формы организации живой материи

материя клетка морфофункциональный система Единственными представителями доклеточной организации живой материи являются вирусы.

Вирус — это неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри живых клеток.

На сегодняшний день детально описано свыше пяти тысяч видов вирусов. Учеными предполагается существование миллионов видов. Изучением вирусов занимается вирусология. Вирусология является разделом микробиологии.

Вирусы способны поражать все типы организмов: от бактерий и архей до растений и животных. Вирусы, поражающие бактерии называют бактериофагами. Вирусы, которые поражают другие вирусы называются сателлитами.

История изучения вирусов началась со статьи Ивановского Дмитрия Иосифовича, описывающей небактериальный патоген растений табака. А первым открытым и официально описанным вирусом стал вирус табачной мозаики, открытый голландцем Мартином Бейеринком в 1898 году.

Происхождение Происхождение вирусов неясно, поскольку они не оставляют каких бы то ни было ископаемых останков, однако существует три основных теории их происхождения:

• 1. Регрессивная гипотеза (гипотеза дегенерации/редукции). Согласно этой гипотезе, вирусы когда-то были клетками, паразитирующими в более крупных клетках. С течением времени эти клетки предположительно утратили гены, не требовавшимися при паразитическом образе жизни. Эта гипотеза основывается на наблюдении, что некоторые бактерии, например, риккетсии и хламидии, представляют собой клеточные организмы, которые подобно вирусам могут размножаться только внутри другой клетки.
• 2. Гипотеза клеточного происхождения (гипотеза кочевания/побега). Некоторые вирусы могли появиться из фрагментов ДНК или РНК, высвободившихся из генома более крупного организма. Такие фрагменты могут происходить от плазмид — молекул ДНК, способных передаваться от клетки к клетке) или от транспозонов (молекул ДНК, реплицирующихся и перемещающихся с места на место внутри генома.
• 3. Гипотеза коэволюции. Эта гипотеза предполагает, что вирусы возникли из сложных комплексов белков и нуклеиновых кислот в то же время, что и первые на Земле живые клетки, и зависят от клеточной жизни вот уже миллиарды лет.

Строение вирусов Вирусные частицы, называемые варионами, состоят из трех компонентов:

• 1. Генетический материал. ДНК или РНК. Некоторые виды имеют оба типа молекул.
• 2. Капсид — белковая оболочка. Служит для защиты ДНК/РНК.
• 3. Дополнительные липидные оболочки.

По первому признаку вирусы делят на ДНК — содержащие и РНК — содержащие. На этом принципе основана классификация вирусов по Балтимору. Классификация ICTV разделяет вирусы на отряды, семейства, подсемейства, роды и виды.

Капсиды вирусов разделяют на четыре класса:

• 1. Спиральный
• 2. Икосаэдрический
• 3. Продолговатый
• 4. Комплексный

Средний вирус примерно в сто раз меньше средней бактерии. Поэтому большинство из них неразличимы под световым микроскопом.

Вирусы не способны размножаться вне клетки. Вне клетки вирусные частицы не проявляют признаки живого и ведут себя как частицы биополимеров. От живых паразитарных организмов вирусы отличаются полным отсутствием основного и энергетического обмена и отсутствием аппарата трансляции (синтеза белка), степень сложности которого превышает степень сложности самих вирусов.

Жизненный цикл Обычно выделяют шесть этапов жизненного цикла вируса:

• 1. Прикрепление — это образование специфичной связи между белками вирусного капсида и рецепторами на поверхности клетки-хозяина. Специфичность связывания определяет круг хозяев вируса.
• 2. Проникновение в клетку.
• 3. Лишение оболочек — процесс потери капсида.
• 4. Репликация вирусов.
• 5. Сборка вирусных частиц.
• 6. Выход из клетки.
• 4. Клетка как морфофункциональная единица живого

Клетка — элементарная единица живого организма.

Все живое состоит из клеток как отдельных единиц и размножается из клеток, поэтому клетка считается мельчайшей единицей всего живого. Клетка обладает всеми признаками живого, ей свойственны раздражимость, обмен веществ, самоорганизация и саморегуляция, передача наследственных признаков. Клетка — это сложное, самоорганизующееся образование органоидов, являющееся микроносителем жизни, так как в каждой клетке заключена генетическая информация, достаточная для воспроизведения всего организма. Все организмы состоят из одной или многих клеток. Размеры клеток варьируются от 0,1 мкм до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе).

Жизнь каждой клетки подчинена деятельности всего организма в целом. Клетки многоклеточных организмов неспособны к существованию в открытой среде, за исключением одноклеточных организмов — бактерий, простейших водорослей, грибов. Составляющие клетку части лишены жизненных способностей. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться. Такая способность клеток широко используется в исследовательских и прикладных целях.

Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки состоят из трех основных частей — плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации — ДНК. Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли — цилиндрические структуры диаметром около 0,15 мкм, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой — клеточной стенкой. Кроме того, они содержат пластиды — цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.

Рис. 1 Строение животной (А) и растительной (Б) клеток

Окружающая клетку мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Главная функция клетки — обеспечить передвижение вполне определенных веществ в прямом и обратном направлениях к ней. В частности, мембрана поддерживает нормальную концентрацию некоторых солей внутри клетки и играет важную роль в ее жизни: при повреждении мембраны клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структурных компонентов жизнь клетки может продолжаться в течение некоторого времени. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости ее наружной мембраны.

Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма, содержащая водный соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами, (как в мышечных тканях) и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы — маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии -мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца — рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК), с помощью которых осуществляется синтез белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, хотя 65−85% массы клетки составляет вода.

Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро, а в нем — хромосомы — длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка. В многоклеточном организме все сложные проявления жизни возникают в результате согласованной активности составляющих его клеток.

Жизненно важными функциями клетки являются подвижность, раздражимость, метаболизм и размножение. Подвижность клетки выражается во внутриклеточной циркуляции содержимого клетки, перетекании, биении крошечных протоплазматических выростов, сократимости. Раздражимость определяется способностью клетки воспринимать стимул и реагировать на него импульсом или волной возбуждения. Это наиболее свойственно нервным клеткам организмов. Метаболизм включает все превращения вещества и энергии, происходящие в клетках.

Важнейшей функцией клетки является ее размножение путем деления и образования дочерних клеток. По мере роста клетки ухудшается питание её отдельных элементов, способность управления внутренними процессами клетки снижается, клетка приходит в неустойчивое состояние. Далее происходит деление клетки на две дочерние, как выход из неустойчивого состояния, новообразованные клетки обретают устойчивость до момента следующего деления. При делении дочерней клетки передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Поэтому перед делением число хромосом в клетке удваивается и при делении каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. В любом организме на протяжении всей его жизни идёт процесс замены старых клеток на образующиеся новые. Средний срок жизни клеток человека — один-два дня, а общее количество клеток — примерно 10¹⁵. Именно способность воспроизводить самих себя, а не только способность расти и питаться и позволяет считать клетки мельчайшими единицами живого.

Основные структурные различия между животными и растительными клетками немногочисленны. Во-первых, животные клетки, в отличие от растительных (исключая низшие растения), содержат небольшие тельца — центриоли, расположенные в цитоплазме. Во-вторых, как уже говорилось, клетки растений имеют в своей цитоплазме белковые образования — пластиды, которых нет у животных. И в-третьих, клетки растений обладают упомянутой ранее клеточной стенкой, благодаря которой они сохраняют свою форму. Животные клетки располагают лишь тонкой плазматической мембраной и поэтому способны двигаться и менять форму.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы — прокариот и эукариот. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам — все остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными. Предполагается, что первыми организмами, появившимися около 4−3,5 млрд. лет назад, были прокариоты.

Роль клетки в эволюции живого Появление первой примитивной клетки стало началом биологической эволюции жизни на планете. Что послужило причиной возникновения именно живой клетки из неживого, до сих пор неизвестно, существует несколько гипотез, однако большинство из них говорит о том, что имел место некий доклеточный предок — протобионт, из которого впоследствии сформировалась древнейшая клетка. Механизм перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции, предложенная ученым А. И. Опариным в 20-х гг., предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей данным сгусткам стабильность. Именно с появлением мембраны можно говорить о рождении клетки — основной структурной единицы жизни, способной к росту и размножению. Очевидно, археклетка была отграничена от внешней среды двухслойной оболочкой (мембраной), обладала способностью всасывать через нее протоны, ионы и маленькие молекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных углеродных соединениях. Для строения археклетки характерно наличие клеточного скелета, отвечавшего за целостность клетки, а также обеспечивавшего возможность ее деления.

Первыми возникшими на Земле одноклеточными организмами были примитивные бактерии, не обладавшие ядром — прокариоты. Они жили в безкислородной среде и питались готовыми органическими соединениями — веществами, синтезированными в процессе химической эволюции. Однако по мере наполнения атмосферы земли кислородом, многим бактериям пришлось приспособиться к кислородному дыханию — фотосинтезу, что явилось поворотом в эволюции живого. Фотосинтез ускорял биологический круговорот веществ и эволюцию живого в целом. Долго длившийся процесс перехода к фотосинтезу привел примерно 2,6 млрд. лет назад к возникновению первых, имеющих ядро организмов — эукариотов. Это были более совершенные организмы, в ядре которых были сконцентрированы хромосомы с ДНК, сама клетка воспроизводилась уже без серьёзных изменений.

Последующая эволюция эукариотов связана с разделением этих организмов на животные и растительные (примерно 2,6 млрд. — 570 млн. лет назад). Растительные клетки эволюционировали в сторону развития жесткой целлюлозной оболочки клеток и активного использования фотосинтеза, животные же клетки «выбрали» увеличение способности к передвижению, а также усовершенствовали способы поглощать и выделять продукты переработки пищи.

Следующими важными этапами в эволюции живого мира стало половое размножение (около 900 млн. лет назад) и появление многоклеточных организмов с телом, тканями и органами, выполняющими определённые функции (700−800 млн. лет назад). Это были губки, черви, членистоногие и т. п. К тому времени мировой океан уже заселяли водоросли.

Подводя итог, можно сказать, что именно выделение живой самостоятельной клетки из окружающей среды и стало толчком к началу эволюции жизни на земле и роль клетки в развитии всего живого является главенствующей.