Уровни биологической организации
Живые существа высокоорганизованны и структурированы, следуя иерархии масштаба от малого к большому (рисунок 2.3.12.3.1). Атом - наименьшая и наиболее фундаментальная единица материи. Он состоит из ядра, окруженного электронами. Атомы объединяются, образуя молекулы, которые представляют собой химические структуры, состоящие по крайней мере из двух атомов, удерживаемых вместе химической связью. У растений, животных и многих других типов организмов молекулы собираются вместе определенным образом, создавая структуры, называемые органеллами. Органеллы - это небольшие структуры, которые существуют внутри клеток и выполняют специализированные функции. Как более подробно обсуждается ниже, все живые существа состоят из одной или нескольких клеток.
В большинстве многоклеточных организмов клетки объединяются, образуя ткани, которые представляют собой группы похожих клеток, выполняющих одну и ту же функцию. Органы - это наборы тканей, сгруппированных вместе на основе общей функции. Органы присутствуют не только у животных, но и у растений. Система органов - это более высокий уровень организации, состоящий из функционально связанных органов. Например, у позвоночных животных много систем органов, таких как система кровообращения, которая транспортирует кровь по всему телу, а также к легким и обратно; она включает в себя такие органы, как сердце и кровеносные сосуды. Организмы - это индивидуальные живые существа. Например, каждое дерево в лесу - это организм.
Все особи вида, живущие в пределах определенной территории, в совокупности называются популяцией. Сообщество - это совокупность различных популяций, населяющих общую территорию. Например, все деревья, цветы, насекомые и другие популяции в лесу образуют лесное сообщество. Лес сам по себе является экосистемой. Экосистема состоит из всех живых существ на определенной территории вместе с абиотическими, или неживыми, частями этой среды, такими как азот в почве или дождевая вода. На самом высоком уровне организации биосфера представляет собой совокупность всех экосистем и представляет зоны жизни на Земле. Она включает сушу, воду и части атмосферы.
Теория клетки
Закройте глаза и представьте кирпичную стену. Что является основным строительным блоком этой стены? Это, конечно, один кирпич. Подобно кирпичной стене, ваше тело состоит из основных строительных блоков, а строительными блоками вашего тела являются клетки. В вашем теле много видов клеток, каждая из которых специализирована для определенной цели. Точно так же, как дом строится из различных строительных материалов, человеческое тело построено из множества типов клеток. Например, клетки костей помогают поддерживать и защищать организм. Клетки иммунной системы борются с вторгающимися бактериями. И красные кровяные тельца разносят кислород по всему организму. Каждый из этих типов клеток играет жизненно важную роль в процессе роста, развития и повседневного поддержания организма. Однако, несмотря на их огромное разнообразие, все клетки имеют определенные фундаментальные характеристики.
Микроскопы, которыми мы пользуемся сегодня, намного сложнее тех, которыми пользовался в 1600-х годах Энтони ван Левенгук, голландский лавочник, обладавший большим мастерством в изготовлении линз. Несмотря на ограниченность своих ныне устаревших линз, ван Левенгук наблюдал за движениями одноклеточных организмов и сперматозоидов, которые он в совокупности назвал “анималкулами”. В публикации 1665 года под названием Micrographia ученый-экспериментатор Роберт Гук ввел термин “клетка” (от латинского cella, что означает “маленькая комната”) для коробкообразных структур, которые он наблюдал, рассматривая пробковую ткань через линзу. В 1670-х годах ван Левенгук открыл бактерии и простейшие. Позже достижения в области линз и конструкции микроскопов позволили другим ученым увидеть различные компоненты внутри клеток.
К концу 1830-х годов ботаник Маттиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн изучали ткани и предложили единую клеточную теорию, которая утверждает, что все живые существа состоят из одной или нескольких клеток, что клетка является основной единицей жизни и что все новые клетки возникают из существующих клеток. Эти принципы актуальны и сегодня. Существует много типов клеток, и все они сгруппированы в одну из двух широких категорий: прокариотические и эукариотические. Клетки животных, растений, грибов и протистов классифицируются как эукариотические, тогда как клетки бактерий и архей классифицируются как прокариотические.
Все клетки имеют четыре общих компонента: 1) плазматическую мембрану, внешнее покрытие, отделяющее внутреннюю часть клетки от окружающей среды; 2) цитоплазму, состоящую из желеобразной области внутри клетки, в которой находятся другие клеточные компоненты; 3) ДНК, генетический материал клетки; и 4) рибосомы, частицы, синтезирующие белки. Однако прокариоты отличаются от эукариотических клеток несколькими способами.
Компоненты прокариотических клеток
Прокариотическая клетка - это простой одноклеточный организм, у которого отсутствует ядро или какая-либо другая органелла, связанная с мембраной. Вскоре мы увидим, что у эукариот это существенно отличается. Прокариотическая ДНК находится в центральной части клетки: затемненной области, называемой нуклеоидом (рисунок 2.3.12.3.1).
В отличие от архей и эукариот, бактерии имеют клеточную стенку, состоящую из пептидогликана (молекулы, состоящие из сахаров и аминокислот), и многие из них имеют полисахаридную капсулу. Клеточная стенка действует как дополнительный слой защиты, помогает клетке сохранять свою форму и предотвращает обезвоживание. Капсула позволяет клетке прикрепляться к поверхностям в окружающей среде. У некоторых прокариот есть жгутики, пили или фимбрии. Жгутики используются для передвижения. Пили используются для обмена генетическим материалом во время процесса размножения, называемого конъюгацией. Фимбрии - это белковые придатки, используемые бактериями для прикрепления к другим клеткам.
Эукариотические клетки
Эукариотическая клетка - это клетка, имеющая связанное с мембраной ядро и другие связанные с мембраной компартменты, называемые органеллами. Существует много различных типов органелл, каждая из которых выполняет узкоспециализированную функцию (см. Рисунок 2.3.32.3.3). Слово “Эукариотический” означает “истинное ядро”, намекая на наличие связанного с мембраной ядра в этих клетках. Слово “органелла” означает “маленький орган”, и, как уже упоминалось, органеллы выполняют специализированные клеточные функции, точно так же, как органы вашего тела выполняют специализированные функции.
Размер клетки
При диаметре 0,1–5,0 мкм большинство прокариотических клеток значительно меньше эукариотических клеток, диаметр которых колеблется в пределах 10-100 мкм (рисунок 2.3.32.3.3). Небольшой размер прокариот позволяет ионам и органическим молекулам, попадающим в них, быстро распространяться в другие части клетки. Аналогичным образом, любые отходы, образующиеся внутри прокариотической клетки, могут быстро выводиться. Однако более крупные эукариотические клетки развили различные структурные приспособления для улучшения клеточного транспорта. Действительно, большой размер этих клеток был бы невозможен без этих приспособлений. В общем, размер клетки ограничен, потому что объем увеличивается намного быстрее, чем площадь поверхности клетки. По мере того, как клетка становится больше, ей становится все труднее приобретать достаточное количество материалов для поддержания процессов внутри клетки, потому что относительный размер площади поверхности, через которую должны транспортироваться материалы, уменьшается.
Клетки животных против клеток растений
Несмотря на их фундаментальное сходство, между клетками животных и растений существуют некоторые разительные различия (рисунок 2.3.32.3.3). Клетки животных имеют центриоли, центросомы и лизосомы, тогда как клетки растений - нет. Клетки растений имеют жесткую клеточную стенку, которая находится снаружи от плазматической мембраны, хлоропластов, плазмодесм и пластид, используемых для хранения, и большую центральную вакуоль, в то время как клетки животных этого не делают.
Хлоропласты
С экологической точки зрения, хлоропласты являются особенно важным типом органелл, поскольку они осуществляют фотосинтез. Фотосинтез формирует основу пищевых цепочек в большинстве экосистем. Хлоропласты встречаются только в эукариотических клетках, таких как растения и водоросли. В процессе фотосинтеза углекислый газ, вода и световая энергия используются для производства глюкозы и молекулярного кислорода. Одно из основных различий между водорослями / растениями и животными заключается в том, что растения / водоросли способны самостоятельно вырабатывать пищу, например глюкозу, в то время как животные должны добывать пищу, потребляя другие организмы.
Хлоропласты имеют внешнюю и внутреннюю мембраны, но внутри пространства, окруженного внутренней мембраной хлоропласта, находится набор взаимосвязанных и уложенных друг на друга, заполненных жидкостью мембранных мешочков, называемых тилакоидами (рисунок 2.3.42.3.4 ниже). Каждая стопка тилакоидов называется гранумой (множественное число = grana). Жидкость, заключенная во внутреннюю мембрану и окружающая грану, называется стромой. Каждая структура в хлоропласте выполняет важную функцию, которая обеспечивается ее особой формой. Общей темой в биологии является то, что форма и функция взаимосвязаны. Например, богатые мембранами скопления тилакоидов обеспечивают достаточную площадь поверхности для встраивания белков и пигментов, жизненно важных для фотосинтеза.
