Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №17/2000

ОЛИМПИАДЫ

КАМЕНСКИЙ А.А.,
СОКОЛОВА Н.А.,
ТИТОВ С.А.

Продолжение. См. No 16/2000

Ответы на вопросы по биологии

(11-й класс)

6. Обоснуйте принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы

В клетках живых организмов содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. В состав клетки входит большинство из 109 элементов периодической системы Менделеева, причем клетки бактерий, грибов, растений и животных имеют сходный химический состав. Особенно велико содержание в клетках кислорода (65–75%), углерода (15–18%), водорода (8–10%) и азота (1,5–3,0%); в сумме эти элементы составляют почти 98% всего элементного состава клетки. Следующая группа включает восемь элементов, содержание которых в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Это сера (0,15–0,2%), фосфор (0,2–1,0%), хлор (0,05–0,1%), калий (0,15–0,4%), магний (0,02–0,03%), натрий (0,02–0,03%), кальций (0,04–2,0%) и железо (0,01–0,015%). В сумме эти элементы составляют 1,9%. Микроэлементы – цинк, медь, фтор, йод – содержатся в клетках в ничтожных долях процента (0,0001–0,0003%), но при недостатке их возникают серьезные нарушения обмена веществ.
Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Таким образом, существует принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы, выявляющееся на атомном уровне организации материи. На более высоком уровне организации – молекулярном – между живым и неживым обнаруживаются существенные различия.

7. В чем отличие обмена веществ у живых организмов от обменных процессов, протекающих в неживой природе?

Живая клетка постоянно обменивается веществами с внешней средой. Через живые системы проходят потоки веществ и энергии: именно поэтому их и называют открытыми системами. Под обменом веществ и энергии в живой материи понимают последовательное потребление, превращение, использование, накопление и потерю веществ и энергии в живых организмах в процессе жизни. Обмен веществ лежит в основе роста, развития и самовоспроизведения организмов, адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды. Этот процесс состоит из непрерывно протекающих реакций синтеза (ассимиляции) и расщепления (диссимиляции) органических молекул.
Для обменных процессов, протекающих в неживой природе, свойственно многократное («бесконечное») повторение процессов превращения и перемещения веществ, характеризующееся более или менее четко выраженной цикличностью. Такой круговорот веществ происходит во всех геосферах; он складывается из отдельных процессов круговорота химических элементов. При этом происходит частичное рассеивание, местная концентрация вещества, изменение его состава и т.д. Таким образом, в отличие от обмена веществ в живой природе, в обменных процессах, происходящих в неживой природе, невозможно выделить взаимосвязанные процессы ассимиляции и диссимиляции. Круговорот веществ в неживой природе не преследует целей роста, развития, самовоспроизведения и адаптации, т.к. эти характеристики свойственны только живым организмам.
Однако надо хорошо понимать, что с появлением на Земле жизни и возникновением биосферы обменные процессы, протекающие в неживой природе в живых системах, оказались взаимосвязаны. Согласно закону биогенной миграции атомов Вернадского «миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (кислород, углекислый газ, водород и т.д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Землю в течение всей геологической истории».

8. Докажите, что клетки, ткани и органы в сумме еще не представляют собой целостный организм

В многоклеточном организме клетки объединены в различные органы и ткани и специализированы для выполнения разных функций. В зависимости от выполняемой функции клетки имеют разную организацию. Так, например, в мышечных клетках имеются миофибриллы и протофибриллы, в секретирующих – специфические гранулы, в эритроцитах – гемоглобин и т.д. Совокупность клеток, сходных по строению, происхождению и выполняемым функциям, представляет собой ткань. Определенный комплекс тканей составляет орган, выполняющий одну или несколько функций; органы входят в состав систем органов (дыхательной, сердечно-сосудистой и др.). Особь представляет собой системную совокупность органов, которой свойственна способность к саморегуляции и адаптации к условиям окружающей среды. Искусственно выделенные из такой системы клетка, ткань или орган не способны к длительному существованию.
Клетке одноклеточного организма (бактерии, одноклеточные водоросли, простейшие) свойственны все характеристики целостного организма; такая клетка-организм может существовать самостоятельно, т.к. она способна к саморегуляции и адаптации. Появление в процессе эволюции многоклеточности (первыми многоклеточными организмами были водоросли) привело к тому, что отдельная клетка потеряла свою самостоятельность. Однако на первом этапе развития многоклеточности дифференцированных тканей еще не было (тело водорослей представляет собой слоевище, или таллом); позднее появились различные ткани и органы, объединенные в единый организм сложными системами регуляции.

9. Раскройте основные положения клеточной теории. Каково ее значение для развития науки?

Все живые организмы состоят из клеток. Клетка – это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живой материи; это элементарная живая система. Неклеточные организмы – вирусы – могут размножаться только в клетках. Существуют и организмы, вторично утратившие клеточное строение (некоторые водоросли).
Различные клетки отличаются друг от друга по строению (не имеют оформленного ядра у прокариот и имеют оформленное ядро у эукариот, могут иметь различные органоиды, растительные клетки имеют целлюлозную оболочку, пластиды и т.д.), размерам (размеры клеток колеблются от 1 мкм до нескольких сантиметров – это яйцеклетки рыб и птиц), форме (могут быть круглыми, как эритроциты, древовидными, как нейроны, веретенообразными, как мышечные клетки), биохимическим характеристикам (например, в клетках, содержащих хлорофилл или бактериохлорофилл, идет процесс фотосинтеза, который невозможен при отсутствии этих пигментов), функциям (различают половые клетки – гаметы и соматические – клетки тела, которые, в свою очередь, подразделяются на множество разных типов).
История изучения клетки связана с именами таких ученых, как Роберт Гук (впервые применил микроскоп для исследования тканей и на срезе пробки и сердцевины бузины увидел ячейки, которые и назвал клетками), Антони ван Левенгук (впервые увидел клетки под увеличением в 270 раз), Маттиас Шлейден и Теодор Шванн (явились создателями клеточной теории). В работе «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» (1839 г.) Т.Шванн сформулировал основные положения клеточной теории.

1. Все организмы состоят из одинаковых частей – клеток; они образуются и растут по одним и тем же законам.
2. Общий принцип развития для элементарных частей организма – клеткообразование.
3. Каждая клетка в определенных границах есть индивидуум, некое самостоятельное целое. Но эти индивидуумы действуют совместно, так, что возникает гармоничное целое. Все ткани состоят из клеток.
4. Процессы, возникающие в клетках растений, могут быт сведены к следующим: 1) возникновение новых клеток; 2) увеличение клеток в размерах; 3) превращение клеточного содержимого и утолщение клеточной стенки.

М.Шлейден и Т.Шванн ошибочно считали, что клетки в организме возникают из первичного неклеточного вещества. Позднее Рудольф Вирхов (1859) сформулировал одно из важнейших положений клеточной теории: «Всякая клетка происходит из другой клетки... Там, где возникает клетка, ей должна предшествовать клетка, подобно тому, как животное происходит только с животного, растение – только от растения».
Клеточная теория позволила сформулировать вывод о том, что клетка – это важнейшая составляющая часть всех живых организмов. Клетка – их главный кoмпонент в морфологическом отношении; она является основой развития многоклеточного организма, т.к. развитаие организма начинается с одной клетки – зиготы; клетка – основа физиологических и биохимических процессов в организме, т.к. на клеточном уровне происходят в конечном счете все физиологические и биохимические процессы. Клеточная теория позволила придти к выводу о сходстве химического состава всех клеток и еще раз подтвердила единство всего органического мира.
Современная клеточная теория включает следующие положения.

1. Клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого.
2. Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.
3. Размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления материнской клетки.
4. В сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

10. Дайте сравнительную характеристику строения и жизнедеятельности прокариот и эукариот

Прокариоты (лат. про – перед и гр. карион – ядро) – это древнейшие организмы, не имеющие оформленного ядра. Носителем наследственной информации у них является молекула ДНК, которая образует нуклеоид. В цитоплазме прокариотической клетки нет многих органоидов, которые имеются у эукариотической клетки (митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи и т.д.; функции этих органоидов выполняют ограниченные мембранами полости). В прокариотической клетке имеются рибосомы. Большинство прокариот имеет размер 1–5 мкм. Размножаются они путем деления без выраженного полового процесса. Прокариоты обычно выделяют в надцарство. К ним относят бактерии, синезеленые водоросли (цианеи, или цианобактерии), риккетсии, микоплазмы и ряд других организмов.

Рис. 2. Схема строения растительной клетки

Рис. 2. Схема строения растительной клетки

Рис. 1. Схема строения животной клетки

Рис. 1. Схема строения животной клетки

Эукариоты (гр. эу – хорошо и карион – ядро) – организмы, в клетках которых есть четко оформленные ядра, имеющие собственную оболочку (кариолемму) (рис. 1, 2). Ядерная ДНК у них заключена в хромосомы. В цитоплазме эукариотических клеток имеются различные органоиды, выполняющие специфические функции (митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, рибосомы и т.д.). Большинство эукариотических клеток имеет размер порядка 25 мкм. Размножаются они митозом или мейозом (образуя половые клетки – гаметы или споры у растений); изредка встречается амитоз – прямое деление, при котором не происходит равномерного распределения генетического материала (например, в клетках эпителия печени). Эукариоты также выделяют в особое надцарство, которое включает царства грибов, растений и животных.

11. Каковы строение и функции клеточного ядра и клеточного центра?

Клеточное ядро – это часть клетки диаметром 3–10 мкм, окруженная оболочкой (кариолеммой), состоящей из двух мембран. Пространство между наружной и внутренней мембранами (30 нм), заполненно полужидким веществом. Ядерная мембрана имеет такое же строение, как и плазматическая мембрана. В ядерной оболочке есть множество пор (рис. 3), через которые происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Под ядерной оболочкой находится ядерный сок (кариоплазма), в котором содержатся ядрышки и хромосомы.

Рис. 3. Некоторые мембранные системы в клетках эукариот

Рис. 3. Некоторые мембранные системы в клетках эукариот

Ядрышки – это округлые тельца диаметром от 1 до нескольких микрометров. В ядре может быть несколько ядрышек. В состав ядрышек входят РНК и белок. Ядрышки образуются на определенных участках хромосом; в них синтезируется рибосомальная РНК (рРНК). В ядрышках происходит формирование больших и малых субъединиц рибосом. Ядрышки видны только в неделящихся клетках.

Хромосомы (греч. хрома – краска и сома – тело; были так названы из-за способности к интенсивному окрашиванию) – это важнейший органоид ядра, образованный ДНК в комплексе с основным белком – гистоном, содержащим большое количество лизина и аргинина; этот комплекс составляет около 90% вещества хромосом. В состав хромосом входят также РНК, кислые белки, липиды, минеральные вещества и фермент ДНК-полимераза, необходимый для репликации (удвоения) ДНК. Хромосомы могут иметь длину, в десятки и сотни раз превышающую диаметр ядра. В интерфазу (период между делениями) хромосомы деспирализованы, видны только в электронный микроскоп и представляют собой длинные тонкие нити хроматина. В этот период идет процесс удвоения (редупликации) хромосом; в конце интерфазы каждая хромосома состоит из двух хроматид. Она имеет первичную перетяжку, на которой расположена центромера; перетяжка делит хромосому на два плеча одинаковой или разной длины. Центромера служит местом прикрепления нити веретена деления. У ядрышковых хромосом имеется также вторичная перетяжка, где формируется ядрышко.

Функция хромосом заключается в контроле над всеми процессами жизнедеятельности клетки. Хромосомы являются носителями генетической информации. Наследственная информация передается путем репликации молекулы ДНК. Число, размер и форма хромосом строго специфичны для каждого вида.

В половых клетках и в спорах у растений содержится одинарный (гаплоидный) набор хромосом, в соматических клетках – двойной (диплоидный) набор. Бывают также полиплоидные клетки. Различают гомологичные (парные, соответствующие) и негомологичные хромосомы. Хромосомы, определяющие развитие пола, называют половыми. Хромосомы соматических клеток называют аутосомами.

Клеточный центр относится к немембранным компонентам клетки. В состав его входят две центриоли. Центриоли обнаружены не во всех клетках, имеющих клеточный центр (например, их нет у покрытосеменных растений). Каждая центриоль – это цилиндр размером около 1 мкм, по окружности которого расположены девять триплетов микротрубочек. Центриоли располагаются под прямым углом друг к другу. Клеточный центр играет важную роль в организации цитоскелета, т.к. цитоплазматические микротрубочки расходятся во все стороны из этой области. Перед делением центриоли расходятся к противоположным полюсам клетки и возле каждой из них возникает дочерняя центриоль. От центриолей протягиваются микротрубочки, которые образуют митотическое веретено деления. Часть нитей веретена прикрепляется к хромосомам. Формирование нитей веретена происходит в профазе.

12. Раскройте биологическое значение хромосом

Хромосомы (рис. 4) являются носителями материальных основ наследственности – генов. В основе действия гена в процессе развития организма лежит его способность через посредство РНК определять синтез белков. В молекуле ДНК, входящей в состав хромосом, «записана» информация, определяющая химическую структуру белков. См. также ответ на вопрос 11.

Рис. 4. Схематическое изображение типичной метафазной хромосомы

Рис. 4. Схематическое изображение типичной метафазной хромосомы

13. Охарактеризуйте строение и функции цитоплазматической мембраны

Цитоплазматическая (или клеточная) мембрана (плазмалемма) – это биологическая мембрана, окружающая протоплазму (цитоплазму) живой клетки. Ее основой является двойной слой липидов (водонерастворимых молекул, имеющих полярные «головки» и длинные неполярные «хвосты», представленные цепями жирных кислот). В мембранах преобладают фосфолипиды, в «головках» которых содержатся остатки фосфорной кислоты. «Хвосты» липидных молекул обращены друг к другу, полярные «головки» смотрят наружу, образуя гидрофильную поверхность. С заряженными «головками» соединяются периферические мембранные белки. Другие белковые молекулы погружены в слой липидов за счет взаимодействия с их неполярными «хвостами». Часть белков пронизывает мембрану насквозь, образуя каналы (или поры). У некоторых клеток мембрана является единственной оболочкой, у других клеток снаружи от мембраны имеется дополнительная оболочка (например, целлюлозная оболочка у растительных клеток). Животные клетки снаружи от мембраны бывают покрыты гликокаликсом – тонким слоем белков и полисахаридов.
Клеточная мембрана выполняет множество важных функций, от которых зависит жизнедеятельность клеток. Одна из них заключается в образовании барьера между внутренним содержимым клетки и внешней средой. Наряду с этим мембрана обеспечивает обмен веществ между цитоплазмой и внешней средой, из которой в клетку через мембрану поступают вода, ионы, неорганические и органические молекулы. Во внешнюю среду через мембрану выводятся продукты обмена и вещества, синтезированные в клетке).
Таким образом, через мембрану осуществляется транспорт веществ. Крупные частицы, образованные молекулами биополимеров, поступают через мембрану благодаря фагоцитозу, явлению, впервые описанному И.И. Мечниковым. Процесс захвата и поглощения капелек жидкости происходит путем пиноцитоза. Важную роль в жизнедеятельности клетки играет рецепторная функция мембраны. В мембранах имеется большое число рецепторов – специальных белков, роль которых заключается в передаче внутрь клетки сигналов извне.
О возникновении мембран в процессе эволюции см. ответ на вопрос 2.

14. Раскройте механизм поступления веществ в клетку

Рис. 5. Схема фагоцитоза

Рис. 5. Схема фагоцитоза

Процесс поступления веществ в клетку называется эндоцитозом. Различают пиноцитоз и фагоцитоз.
Фагоцитоз (греч. фаго – пожирать) – поглощение клеткой твердых органических веществ (рис. 5). Оказавшись около клетки, твердая частица окружается выростами мембраны, или под ней образуется впячивание мембраны. В результате частица оказывается заключенной в мембранный пузырек внутри клетки. Такой пузырек называют фагосомой. Термин «фагоцитоз» был предложен И.И. Мечниковым в 1882 г. Фагоцитоз свойствен простейшим, кишечнополостным, лейкоцитам, а также клеткам капилляров костного мозга, селезенки, печени, надпочечников.
Второй способ поступления веществ в клетку называют пиноцитозом (греч. пино – пью) – это процесс поглощения клеткой мелких капель жидкости с растворенными в ней высокомолекулярными веществами. Осуществляется путем захвата этих капель выростами цитоплазмы. Захваченные капли погружаются в цитоплазму и там усваиваются. Явление пиноцитоза свойственно животным клеткам и одноклеточным простейшим.
Еще один способ поступления веществ в клетку – осмос – прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану клетки. Вода переходит из менее концентрированного раствора в более концентрированный. Вещества могут также проходить через мембрану путем диффузии – так транспортируются вещества, способные растворяться в липидах (простые и сложные эфиры, жирные кислоты и т.д.). Путем диффузии по градиенту концентрации по специальным каналам мембраны идут некоторые ионы (например, ион калия выходит из клетки).
Кроме того, транспорт веществ через мембрану осуществляет натрий-калиевый насос: он перемещает ионы натрия из клетки и ионы калия в клетку против градиента концентраций с затратой энергии АТФ.
Фагоцитоз, пиноцитоз и натрий-калиевый насос – это примеры активного транспорта, а осмос и диффузия – пассивного транспорта.

15. Каково строение и функции цитоплазмы?

Цитоплазма (греч. цитос – клетка и плазма – вылепленная) – живое содержимое клетки (за исключением ядра). Состоит из мембран и органоидов (ЭПС, рибосом, митохондрий, пластид, аппарата Гольджи, лизосом, центриолей и др.), пространство между которыми заполнено коллоидным раствором – гиалоплазмой. Снаружи цитоплазма ограничена клеточной мембраной (плазмалеммой), внутри – мембраной ядерной оболочки. У растительных клеток имеется еще и внутренняя пограничная мембрана, образующая вакуоли с клеточным соком.
Цитоплазма содержит большое количество воды с растворенными в ней солями и органическими веществами. Цитоплазма – это среда, в которой осуществляются внутриклеточные физиологические и биохимические процессы. Она способна к движению – круговому, струйчатому, ресничному.

16. Назовите органоиды движения клетки и раскройте их значение для ее жизнедеятельности

К клеточным органоидам движения относят реснички и жгутики диаметром около 0,25 мкм, содержащие в середине микротрубочки. Такие органоиды имеются у многих клеток (простейших, одноклеточных водорослей, зооспор, сперматозоидов, в клетках тканей многоклеточных животных, например, в дыхательном эпителии).
Эти органоиды выполняют функцию обеспечения движения (например, у простейших) или способствуют продвижению жидкости вдоль поверхности клеток (например, продвижению слизи в дыхательном эпителии).
Клетки могут передвигаться также с помощью ложноножек (псевдоподий; например, амебы и лейкоциты), но псевдоподии – это временные образования, которые не относят к органоидам движения.

Продолжение следует

 

Рейтинг@Mail.ru