§ 5. Живая клетка

Вопрос 1. Что общего во всех этих фразах? Чему посвящён параграф?

Клетка – основа организма и процессов происходящих в ней. Что такое клетка и какими свойствами она обладает?

Вопрос 2. Почему не все организмы состоят из одной клетки?

Таким образом, эволюционируя, все организмы шли по пути усложнения своего строения, т.е. постепенно переходили от одноклеточности к многоклеточности, одновременно клетки специализировались по выполняемым функциям.

Какие одноклеточные организмы вы знаете? Какова их роль в природе? (5, 7 классы)

Прокариоты преимущественно одноклеточны, за исключением некоторых цианобактерий и актиномицетов. Среди эукариот одноклеточное строение имеют простейшие, ряд грибов, некоторые водоросли.

Например, из водорослей хлорелла, хламидомонада, хлорококк. Из грибов – дрожжи, мукор. Из простейших – амёба, инфузория туфелька, фораминифера, радиолярия и др.

Перерабатывая сахар дрожжи выделяют углекислый газ, который и заставляет тесто подниматься, делая выпечку рыхлой, то есть сдобной.

Простейшие — участники образования горных пород. Рассматривая под микроскопом размельченный кусочек обыкновенного писчего мела, можно видеть, что он состоит преимущественно из мельчайших раковинок каких-то животных. Морские простейшие (корненожки и радиолярии) играют весьма важную роль в образовании морских осадочных горных пород. Простейшие — показатель степени загрязненности пресных водоемов. Простейшие — возбудители болезней человека и животных. Среди простейших очень многие ведут паразитический образ жизни. Простейшие — источник питания для других животных. В морях и в пресных водах простейшие, прежде всего инфузории и жгутиковые, служат пищей для мелких многоклеточных животных. Черви, моллюски, мелкие ракообразные, а также мальки многих рыб питаются преимущественно одноклеточными. Голубой кит, как и все другие усатые киты, питается очень мелкими ракообразными, населяющими океаны. А эти рачки питаются одноклеточными организмами. В конечном счете существование китов зависит от одноклеточных животных и растений.

Какие типы питания характерны для различных царств живых организмов? (7 класс)

По типу питания подавляющее большинство растений (за исключением растений-паразитов) являются автотрофами, все животные и грибы являются гетеротрофами, бактерии — гетеротрофы и автотрофы.

Какие органеллы клеток вы знаете? (8 класс)

Эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, ядро, митохондрии, пластиды и др.

Вопрос 3. Чем различаются эти два типа клеток? Дополните сравнение данными из таблицы.

Главное отличие

У прокариот нет ядра, кольцевая ДНК (кольцевая хромосома) расположена прямо в цитоплазме (этот участок цитоплазмы называется нуклеоид).

У эукариот есть оформленное ядро (наследственная информация [ДНК] отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой).

Дополнительные отличия

1) Раз у прокариот нет ядра, то нет и митоза/мейоза. Бактерии размножаются делением надвое ("прямым" делением, в отличие от "непрямого" – митоза).

2) У прокариот рибосомы мелкие (70S), а у эукариот – крупные (80S).

3) У эукариот имеется множество органоидов: митохондрии, эндоплазматическая сеть, клеточный центр, и т.д. Вместо мембранных органоидов у прокариот есть мезосомы – выросты плазматической мембраны, похожие на кристы митохондрий.

4) Клетка прокариот гораздо меньше клетки эукариот: по диаметру в 10 раз, по объему – в 1000 раз.

Сходство. Клетки всех живых организмов (всех царств живой природы) содержат плазматическую мембрану, цитоплазму и рибосомы.

Вопрос 4. Как происходит активный и пассивный перенос веществ в клетке?

При пассивном транспорте происходит перенос веществ из области высокой концентрации в область низкой без затрат энергии (например, диффузия, осмос).

При активном транспорте происходит перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный активный транспорт) или через слой клеток (трансцеллюлярный активный транспорт), протекающий из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии для осуществления активного транспорта служит энергия макроэргических связей АТФ.

Вопрос 5. Какие вам известны различия между клетками растений и животных? Дополните ответ данными из таблицы.

Кратко отличие клеток растений от клеток животных.

• У растительных клеток есть хлоропласты для фотосинтеза, а у животных клеток нет хлоропластов.

• Еще одно различие между клетками растений и животных — клетки животных круглые в то время как растительные клетки имеют прямоугольную форму.

• Кроме того, у всех животных клеток есть центриоли, в то время как лишь у некоторых низших форм растений есть центриоли в клетках.

• У животных клеток одна или несколько мелких вакуолей, в то время как у растительных клеток одна большая центральная вакуоль, которая может занимать до 90% от объема клетки.

• В клетках растений, вакуоль выполняет функции хранения воды и поддержания упругости клетки. Функции вакуоли в клетках животных: хранения воды, ионов и отходов.

Вопрос 6. Чем отличаются клетки грибов?

Грибы отличаются разнообразным составом клеточной оболочки. Она может быть целлюлозно-хитиновой, хитиново-глюкановой. В клетках гриба нет хлорофилла.

Вопрос 7. Какие вам известны различия между клетками, представляющими три царства организмов? Дополните ответ данными из таблицы.

Грибы, животные, растения имеют существенное отличие от примитивной формы жизни, которые выражается не только в их структуре и строении, но и в выполняемых функциях и способах размножения.

Чем питаются? Грибы – готовыми органическими веществами (гетеротрофы). Растения – органическими веществами, создаваемыми из неорганических веществ самостоятельно (фотосинтез) (автотрофы). Животные – готовыми органическими веществами (гетеротрофы).

Как передвигаются? Грибы – не имеют способности к передвижению. Растения – не имеют способности к передвижению. Животные – обладают способностью к самостоятельному передвижению.

Как осуществляется рост? Грибы – неограниченно в течение своей жизни Растения – неограниченно в течение своей жизни Животные – до начала размножения.

Размножение. Грибы – вегетативным, бесполым (спорами) и половым способами. Растения – бесполым (спорами) и половым. Животные – половым

Запас углеводов. Грибы – в виде гликогена.Растения – в виде крахмала. Животные – в виде гликогена.

Место синтеза АТФ. Грибы – в митохондриях и цитоплазме. Растения – в пластидах, митохондриях и цитоплазме. Животные – в митохондриях и цитоплазме.

Клеточная стенка. Грибы – из хитина. Растения – из целлюлозы. Животные – отсутствует.

Пластиды. Грибы – отсутствуют. Растения – разнообразные. Животные – отсутствуют.

Вакуоли. Грибы – крупные (до 95% объёма клетки). Растения – крупные до 95% объёма клетки). Животные – мелкие (до 5% объёма клетки).

Вопрос 8. Что способствовало развитию цитологии как науки о клетке?

В 1609–1610 гг. итальянский учёный Галилео Галилей сконструировал первый микроскоп, однако лишь в 1624 г. он его усовершенствовал так, что им можно было пользоваться. Этот микроскоп увеличивал объект в 35-40 раз. Через год И. Фабер дал прибору название «микроскоп».

В 1928–1931 гг. был сконструирован электронный микроскоп, благодаря которому описано мельчайшее строение клетки и открыты многие ранее неизвестные структуры. Развитие биохимии, генетики, методов электронной микроскопии, появившийся в середине XX в. сканирующий электронный микроскоп (и ряд других сложных приборов и методик — фазово-контрастная и флуоресцентная микроскопия, интерференционный микроскоп и др.), а также широкое использование методов физики и химии обусловили прогресс, достигнутый в конце XX в. в изучении строения, функционирования и воспроизведения клетки.

Вопрос 9. Назовите основные положения современной клеточной теории.

1. Клетка – элементарная единица всего живого. Она – основа строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов.

2. Клетки всех организмов гомологичны по своему строению, химическому составу и основным проявлениям жизнедеятельности.

3. Новые клетки образуются только из клеток в результате их деления.

4. Взаимодействие дифференцированных клеток обеспечивает целостность многоклеточного организма.

5. Клеточное строение свидетельствует о единстве происхождения всего живого.

Вопрос 10. Каковы основные функции различных органелл?

Ядро – молекулы ДНК хранят наследственную информацию и управляют синтезом белков в клетке.

ЭПС – разделяет клетку на относительно изолированные отсеки.

Рибосомы – служат для синтеза белка.

Митохондрии – выполняют преобразование энергии питательных веществ в энергию молекул АТФ и направляют их в места, где идут энергоёмкие процессы.

Комплекс Гольджи – сортирует, химически преобразует и накапливает поступившие из ЭПС молекулы.

Лизосомы – разрушают повреждённые и отслужившие органеллы, а также инородные частицы, захваченные путём фагоцитоза.

Пластиды – хлоропласты обеспечивают реакции фотосинтеза, синтеза сахаров за счёт световой энергии, улавливаемой хлорофиллом.

Вакуоли – служат гидроскелетом. Обеспечивают запасами воды для фотосинтеза. Могут удерживать вредные отходы обмена веществ.

Клеточная стенка – защищает содержимое клетки и не даёт клетке разорваться в результате увеличения вакуолей.

Цитоскелет. Клеточный центр – микрофиламенты придают клетке форму, способность изменяться и двигаться, отвечают за перемещение органелл по клетке. Микротрубочки обеспечивают движение жгутиков, ресничек. Клеточный центр образует микротрубочки веретена, растаскивающего органеллы приделении клетки.

Вопрос 11. Чем отличается эукариотическая клетка от клетки бактерии?

Главное отличие

У бактерии нет ядра, кольцевая ДНК (кольцевая хромосома) расположена прямо в цитоплазме (этот участок цитоплазмы называется нуклеоид).

У эукариот есть оформленное ядро (наследственная информация [ДНК] отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой).

Дополнительные отличия

1) Раз у бактерии нет ядра, то нет и митоза/мейоза. Бактерии размножаются делением надвое ("прямым" делением, в отличие от "непрямого" – митоза).

2) У бактерии рибосомы мелкие (70S), а у эукариот – крупные (80S).

3) У эукариот имеется множество органоидов: митохондрии, эндоплазматическая сеть, клеточный центр, и т.д. Вместо мембранных органоидов у бактерии есть мезосомы – выросты плазматической мембраны, похожие на кристы митохондрий.

Вопрос 12. Как различаются клетки автотрофных и гетеротрофных организмов?

В автотрофных клетках есть целлюлозная клеточная стенка, большие вакуоли, заполненные клеточным соком, пластиды. Гетеротрофные клетки клетки имеют, как правило, тонкую клеточную стенку (из хитина у грибов), не содержит пластид и центральной вакуоли, для клеточного центра характерна центриоль.

Вопрос 13. Какие объекты в клетке не видны в световой микроскоп? Предложите методы их изучения.

В световой микроскоп можно видеть структуру клетки размером не менее 350 нм, поэтому, например, рибосомы, микротрубочки (толщина около 25 нм), эндоплазматическую сеть (толщина мембраны около 6 нм) увидеть нельзя, а размер хлоропластов колеблется от 4 до 10 мкм — их можно увидеть в световой микроскоп. В растительной клетке с помощью светового микроскопа можно увидеть оболочку, цитоплазму, ядро.

Можно применить специальные методы фиксации и окрашивания, позволяющие получить препараты, на которых хорошо видны окрашенные структуры клетки. Но лучше всего для изучения использовать электронный микроскоп, в который возможно увидеть составные части клеток размером всего 0,1 нм. В электронном микроскопе видны биологические мембраны (толщина 6—10 нм), рибосомы (диаметр около 20 нм) и другие структуры клетки.

Вопрос 14. Найдите в Интернете сведения об устройстве электронного микроскопа и результатах изучения клеток с его помощью.

В электронном микроскопе имеются электронный прожектор, ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку. Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают под потенциалом порядка -100 000 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором (ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА) Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного.

Электронная оптика. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывают магнитной «броней» из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10–100 тыс. раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.При помощи электронной микроскопии изучается внешняя форма объекта, молекулярная организация его поверхности, с помощью метода ультратонких срезов исследуется внутреннее строение объекта.

Электронная микроскопия вирусов (вирусоскопия) обусловила значительный прогресс в изучении ультратонкой, субмолекулярной структуры вирусов. Наряду с физическими, биохимическими и генетическими методами исследования применение электронной микроскопии способствовало также возникновению и развитию молекулярной биологии. Предметом изучения этого нового раздела биологии является субмикроскопическая организация и функционирование клеток человека, животных, растений, бактерий и микоплазм, а также организация риккетсий и вирусов. Вирусы, крупные молекулы белка и нуклеиновых кислот (РНК, ДНК), отдельные фрагменты клеток (например, молекулярное строение оболочки бактериальных клеток) можно исследовать при помощи электронного микроскопа после специальной обработки: оттенения металлом, позитивного или негативного контрастирования уранилацетатом или фосфорно-вольфрамовой кислотой, а также другими соединениями. Применение электронной микроскопии для изучения живых тканей позволяет получить представление о тонком строении клеток и межклеточных структур в норме и при различных патологических процессах.

Вопрос 15. МОИ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Рассматривание клеток растений, грибов и животных под микроскопом.

Приготовьте микропрепараты кожицы лука и дрожжевых грибов, а также готовые (можно использовать готовые препараты представителей всех царств). Рассмотрите их под микроскопом и сопоставьте увиденное с изображением объектов на страницах учебника (с. 40, 42).

1. Микропрепарат дрожжей хлебопекарных. 2. Общий вид эпителиальной клетки животного в световой микроскоп.

Препарат клетки растения и грибов в целом похож на изображенный в параграфе рисунок клетки. А вот на препарате животной клетки удалось рассмотреть лишь ядро, хроматин и цитоплазму. Чтобы рассмотреть все органеллы клетки нужно большее увеличение, чем в световом микроскопе.