Какие свойства объединяют все клетки организмов

Универсальной структурно-функциональной единицей живого является клетка. Клетки – достаточно мелкие образования, видимые, как правило, только в микроскоп, поэтому открытие и исследование клеток тесно связано с развитием микроскопической техники. Характерные размеры клеток: 1–5 мкм для бактерий и 10–100 мкм для клеток животных и растений (микрометр, мкм = $10^{-6}$ м, то есть тысячная доля миллиметра). Предел разрешающей способности человеческого глаза — порядка 100 мкм (1/10 мм), но при этом нужно учитывать, что объект должен быть контрастным. Отдельные клетки, даже крупные, в составе ткани увидеть часто невозможно из-за низкого контраста, и, как правило, для его повышения требуется окрашивание препарата. Случай, когда одноклеточное размером порядка 100–200 мкм можно увидеть невооруженным глазом, — наблюдение на темном фоне в боковом свете. Подобно тому, как за счет рассеяния света можно видеть пылинки в косом солнечном луче, в этом случае можно увидеть и клетку.

Однако в большинстве случаев для обнаружения клеток необходимы оптические приборы и методики подготовки препаратов. По-видимому, первый микроскоп был сконструирован отцом и сыном Янссенами в конце XVI в., но он был весьма несовершенным. 

Термин «клетка» ввел английский естествоиспытатель Роберт Гук (рис. 1). Он сконструировал микроскоп и, изучая с его помощью различные объекты, в 1665 г. обнаружил, что срез обычной винной пробки образован правильно расположенным прямоугольными ячейками (cells), которые он и назвал клетками (рис. 2 — иллюстрация из его книги «Микрография»). Он видел не живые клетки, а клеточные стенки, так как пробка — это мертвая ткань. В дальнейшем подобные образования были обнаружены в других биологических объектах, и термин «клетка» стал общепринятым. 

Рис. 1                                                                               Рис. 2

Большой вклад в изучение клеток внес голландский ученый Антони ван Левенгук. В конце XVII в. он изготовил микроскоп и обнаружил различные микроорганизмы в зубном налете, в воде из лужи и настое растений.  Микроскоп Левенгука был им существенно усовершенствован и давал гораздо больше возможностей, чем более примитивные микроскопы предшественников. Так был открыт невидимый глазу мир микробов, которых Левенгук назвал «зверьками». Также он впервые наблюдал и зарисовал клетки животных — сперматозоиды и эритроциты (красные кровяные тельца). Левенгук описал свои наблюдения в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопов». 

После этого начался период бурного развития микроскопии, что привело к накоплению информации о клеточном строении тканей растений и животных. По мере развития микроскопической техники  стало ясным, что клетки являются универсальными компонентами живого. 

На основании многочисленных наблюдений животных и растительных клеток в 1838 г. ботаником Маттиасом Шлейденом и гистологом, физиологом, цитологом Теодором Шванном была сформулирована клеточная теория. По мере дальнейшего развития цитологии — науки о клетке —  эта теория была развита и дополнена.

Основные положения клеточной теории

1. Клетка является минимальной структурной и функциональной единицей живого («вне клетки жизни нет»). Вирусы не имеют клеточного строения, однако все свойства живого (такие как метаболизм, самовоспроизведение) они проявляют только внутри живой клетки хозяина, которого инфицировали.
   Все живые организмы состоят из клеток и образованного ими внеклеточного вещества. Многоклеточный организм — это система клеток и выделенного ими межклеточного вещества, образовавшийся в результате деления 1 исходной клетки (оплодотворенной яйцеклетки — зиготы).

2. Несмотря на значительные различия в размере и форме клеток, все они имеют общий план строения. Шванн и Шлейден считали, что у всех клеток есть оболочка, цитоплазма и ядро, что характерно для клеток растений и животных, однако дальнейшее развитие микроскопии позволило выяснить, что существуют и клетки без ядра (то есть без ядерной оболочки), например клетки бактерий. Они гораздо мельче, чем клетки растений и животных. Однако химические основы, общие принципы строения и жизнедеятельности клеток являются общими для всех живых организмов. Это одно из доказательств единства происхождения живой природы и родства всего живого на Земле.

3. Клетки не возникают заново из неклеточного вещества, а образуются путем деления ранее существующих клеток (так называемое дополнение Вирхова, сделанное Рудольфом Вирховым в 1858 г.). Предполагается, что миллиарды лет назад клетки возникли абиогенным путем в процессе происхождения жизни из неживого вещества, однако считается, что в настоящее время это невозможно, так как отсутствуют подходящие условия. Еще великий французский ученый Луи Пастер (1822–1895 гг.) в своих опытах с кипячением питательных сред в специальных колбах с изогнутыми носиками, куда не попадали микроорганизмы и их споры, доказал невозможность самозарождения жизни из неживой материи. 

про- и эукариоты

Все клеточные организмы разделяются на две группы:

• прокариоты, или доядерные, не имеющие ядерной оболочки; 

• эукариоты, или ядерные, у которых генетический материал (ДНК) находится в ядре и отделен от цитоплазмы ядерной оболочкой.

К прокариотам относятся очень мелкие одноклеточные организмы без ядра. Среди них можно выделить царство бактерии и царство археи (ранее архебактерии). 

К эукариотам относятся три основных царства многоклеточных организмов — царства животные, растения и грибы, — а также одноклеточные эукариоты (например, амебы, инфузории и др.), которых объединяют в царство протисты, или простейшие (в настоящее время признано сборной, то есть разнородной по происхождению, группой и разделено на множество царств одноклеточных организмов).

ОСОБЕННОСТИ КЛЕТОК ПРО- И ЭУКАРИОТ

Клетки про- и эукариот весьма различны. Прокариоты — более древние и просто устроенные организмы (рис. 3). Их клетки очень мелкие, порядка нескольких микрометров (1–5 мкм). Они не имеют ядра и практически не имеют внутренних мембранных структур — органелл, характерных для клеток эукариот. Обычно они имеют поверх мембраны клеточную стенку и иногда дополнительно слизистую капсулу. В цитоплазме находится ДНК, эту структуру называют нуклеоид («нуклеус» — ядро, «ойдес» — подобный). ДНК у прокариот кольцевая. Помимо основной хромосомы могут иметься дополнительные маленькие кольца ДНК — плазмиды. В цитоплазме находится много рибосом — органелл наподобие гранул, осуществляющих биосинтез белка. Клетки прокариот могут иметь жгутики.

Часть прокариот способны к фото- или хемосинтезу. Фотосинтезируют, например, цианобактерии, которые раньше иногда называли сине-зелеными водорослями. Другие прокариоты питаются, поглощая низкомолекулярные органические вещества через поверхность клетки. Такие бактерии могут поселяться в продуктах питания, вызывая их порчу либо, наоборот, способствуя получению кисломолочных продуктов, квашению овощей (лактобактерии). Также, поселяясь в организме человека, бактерии могут вызывать заболевания, например столбняк, холеру, дифтерию.

Археи — особая, крайне своеобразная группа прокариот, обитающая в экстремальных местах обитания — в горячих источниках, в соленом Мертвом море и т. п., а также в почве, в кишечниках животных.

Рис. 3. Строение клетки прокариот

Клетки эукариот во много раз больше (10–100 мкм) и гораздо сложнее устроены (рис. 4), чем клетки прокариот. В цитоплазме у них много сложно устроенных органелл, в том числе мембранных, например, эндоплазматическая сеть (ЭПС), ИЛИ (её другое название) эндоплазматический ретикулум (ЭР), аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, митохондрии, иногда пластиды.

Ядро эукариот имеет двухмембранную ядерную оболочку. Внутри ядра находятся молекулы ДНК, они не кольцевые, а линейные, и их обычно несколько или много (не менее двух). Они находятся в комплексе с белками в составе хромосом. Структура большой и сложной клетки эукариот поддерживается системой белковых волокон — цитоскелетом, который у прокариот практически не развит. Цитоскелетные нити также участвуют в распределении хромосом по дочерним клеткам при делении эукариот.

Клетки эукариот, как правило, способны поглощать частицы из среды путем впячивания мембраны, что для прокариот не характерно. Этот процесс называется эндоцитозом. Характерен для эукариот и обратный процесс — экзоцитоз — секреция клеткой веществ путем слияния пузырьков с наружной мембраной. Цитоскелет и большое количество мембранных органелл, по всей видимости, и позволили клеткам эукариот приобрести в ходе эволюции большие размеры. Только у эукариот встречается настоящая многоклеточность.

Подробные сведения об органеллах клеток эукариот можно найти в отдельных посвященных им темах.

Рис. 4. Строение клетки эукариот

Основные (хотя и не все) различия клеток про- и эукариот приведены в таблице.