РОЗМІР, ФОРМА І ЗАГАЛЬНИМ ПЛАН БУДОВИ КЛІТИНИ

Розділ 3 Клітинний рівнь організації живої природи

Тема 6. Структура клітинного рівня: біомолекули та органели клітин

§ 34. РОЗМІР, ФОРМА І ЗАГАЛЬНИМ ПЛАН БУДОВИ КЛІТИНИ

Терміни та поняття: мікоплазми, загальний план будови клітини, клітинна мембрана, цитоплазма.

Яким має бути розмір клітини. Як уже зазначалося, звичайні клітини, з яких побудовані тіла тварин і рослин, а також переважна більшість одноклітинних істот, непомітні для людського ока. Їх діаметр коливається від 0,001 до 0,1 мм. Довжина усередненої клітини людини близько

0,03 мм. Із чим пов’язаний такий їх невеликий розмір? Чому природа в процесі еволюції не довела розміри клітин, наприклад ссавців, хоча б до розмірів рисового зернятка?

Учені підрахували, що найменший розмір клітини, яка міститиме мінімум ДНК, матиме свій синтетичний і енергетичний апарат, має бути в межах однієї тисячної міліметра. Виявилося, що розрахунки вірні, є такі організми – це одні із найбільш просто організованих бактерій – мікоплазми, діаметр їх клітин становить 0,0002-0,0003 мм. Вони настільки малі, що їх розмір виходить на рівень роздільної здатності світлового мікроскопа. (Пригадайте, яку

роль у природі відіграють ці організми.)

У міру розвитку рівня організації клітини еволюційно більш розвинутих організмів повинні збільшуватися в розмірах. Адже їм необхідно мати більш досконалий генетичний апарат, який синтезував би більшу кількість різноманітних білків, що дозволило б клітинам здійснювати більше функцій.

Збільшення розмірів генетичного апарату неминуче приведе до зростання вмісту ДНК у клітині й відповідно до збільшення розмірів самої клітини. Дійсно, подібна закономірність має місце (мал. 174). Якщо зазвичай довжина бактеріальної клітини становить 1-10 мкм, то еукаріотичної – 10-100 мкм. Наприклад, довжина клітин найбільших бактерій становить тільки 0,002 мм, тоді як най менші клітини людини (малі лейкоцити) мають діаметр 0,003-0,004 мм. Не рівнозначність розмірів клітин має місце і серед еукаріотів. Як правило, клітини комах менші за клітини хребетних тварин, і це цілком природно – в останніх ге не тич ний апарат влаштований складніше. Проте, незважаючи на очевидну тенденцію щодо збільшення розмірів клітин, пов’язану зі зростанням рівня організації, вони всеодно залишають ся мікроскопічними. Очевидно, оптимальна клітина має ті самі розміри, що і клітини людини – в середньому 0,02-0,04 мм.

Чому ж розміри клітин не перевищують цю межу? Річ у тім, що розмір клітини регулює співвідношення між її поверхнею й об’ємом. Хімічні реакції йдуть по всьому об’єму клітини, який при збільшенні лінійних параметрів росте в кубічній залежності. Ці процеси перетворення речовин забезпечуються надходженням речовини й енергії через поверхню клітини, площа якої зростає квадратично. Це означає, що при збільшенні розмірів клітини її поверхня “відстає” від її об’єму. Незважаючи на жодні переваги, що надає великий генетичний апарат, клітини все одно залишаються мікроскопічними. Отже гігантські тварини і рослини стають такими не за рахунок збільшення розмірів самих клітин, а за рахунок їх величезної кількості.

У природі безліч клітин-гігантів. Найбільшими клітинами вважають яйцеклітини хребетних тварин – риб, земноводних, рептилій і птахів. Яйцеклітина кісткової риби чи жаби – це ікринка, а птаха – жовток яйця. Вважається, що найбільші за розмірами яйця мали стародавні величезні ящури – динозаври і викопні нелітаючі птахи – епіорніси. Маса цих птахів була близько 500 кг! Їхні яйця мали діаметр 28 см, а об’єм складав 8-9 л.

Серед сучасних птахів найбільшим є яйце африканського страуса (мал. 175), його діаметр 22 см, а об’єм до 2 л. За рахунок чого вдається яйцеклітинам бути таки ми великими? Річ у тім, що цитоплазма яйцеклітин здебільшого заповнена запасними речовинами, клітина перебуває у стані відносного спокою і не потребує великої кількості кисню.

Багато рослинних клітин, особливо у зрілих плодах, настільки великі, що добре помітні неозброєним оком. Такі розміри досягаються за рахунок гігантської вакуолі, що займає в клітині всю її центральну частину, і яка притискає цитоплазму до клітинної оболонки, полегшуючи їй у такий спосіб обмін речовинами з навколишнім середовищем. Найбільшими клітинами людини є нейрони, й хоча тіло нейрона не більше, ніж у звичайної клітини, та його відростки досягають у великих ссавців декількох метрів. Виявляється, у тіла, що має форму труби, наростання об’єму відносно поверхні йде набагато меншими темпами, ніж у кулястого. В результаті співвідношення клітинного обсягу нейрона, що збільшується за рахунок аксонів, незначно випереджає ріст поверхні клітини. (Окресліть причинно-наслідкові зв’язки між розміром і функцією клітини, наведіть приклади.)

Мал. 174.Відносні розміри клітин: а – прокаріотичних організмів (бактерій) і одноклітинних еукаріот; б – одноклітинних водоростей; в – найпростіших (амеби)

Мал. 175.Порівняння розмірів яйцеклітин теплокровних тварин: 1 – куряче яйце – 60х45 мм; 2 – яйце колібрі – 18х8 мм; 3 – яйцеклітина людини – 0,1 мм; 4 – яйце страуса – 170х135 мм

Якої форми повинна бути клітина. Якщо виходити із законів фізики, то клітина повинна мати форму кулі – таку саму, як у мильної бульки. Ця форма є ідеальною, оскільки в цьому випадку натяг розподіляєть ся рівномірно по всій поверхні. Однак у живій природі часто буває не так, як у неживій. Клітини округлої форми вкрай рідкісні, вони поширені тільки серед примітивних не рухливих бактерій, трапляються також поміж не рухливих водоростей і яєць тварин. Частіш за все клітини мають витягнуту, еліпсоподібну або циліндричну форму. Причина та сама – співвідношення об’єму й поверхні. В ідеальній кулі співвідношення між поверхнею й об’ємом мінімальне, тоді як перехід від кулястої форми до еліпсоподібної автоматично приводить до відносного збільшення поверхні. (Пригадайте формулу визначення об’єму кулі та еліпса.) Отже, за інших рівних умов це сприяє набагато більш ефективному надходженню речовини та енергії до вмісту клітини. Крім того, великі клітини мають не правильну форму, яка збільшує їх поверхню. Для них характерні ворсинки, відростки або випинання. (Пригадайте, амеби – це одні з найбільших найпростіших, їх цілком може побачити людина з гарним зором.) Багато клітин мають сплюснуту форму, що також збільшує їх поверхню.

Аби самому переконатися в тому, що в природі немає клітин ідеальної кулястої форми, досить подивитися на пташині яйця (мал. 175). Незважаючи на несхожість форм у різних видів, вони завжди яйцеподібні – тобто у розрізі подібні до еліпса.

Форма клітин багато в чому залежить від функцій, які вони виконують. Клітини, пов’язані із транспортуванням речовин, наприклад еритроцити, – дрібні, округлі, мають форму диска. Клітини епідермісу, який виконує захисну функцію, – середнього розміру, зірчастої довгасто-кутастої форми. Лімфоцити нагадують амеб. Нейрони, завданням яких є передача нервових сигналів, мають довгі відростки, сперматозоїди – одні з найбільш стародавніх клітин багатоклітинного організму – рухливий хвостик, яйцеклітини завжди великі й кулястої форми. (На конкретному прикладі доведіть зв’язок між формою клітини та її функцією.)

Яким є загальний план будови клітини. Усі клітини, незважаючи на різноманітність форми й розмірів, відмінності в яких навіть в одного біологічного виду можуть досягати мільйонів разів (співвідношення обсягів людського сперматозоїда і яйцеклітини), мають загальний план будови. У чому він полягає? Всі одноклітинні організми (бактерії, найпростіші, водорості), а також клітини вищих рослин, грибів і тварин мають: поверхневий апарат, який розташований на поверхневій плазматичній мембрані; цитоплазму – внутрішнє середовище клітини, у якому відбувається більшість хімічних процесів, а також генетичний апарат, який у еукаріотичних організмів зосереджений у ядрі. (Пригадайте інші спільні риси будови клітин одного організму, різних систематичних груп, царств.)

Головним чинником, що визначає розмір і форму клітини, є співвідношення її об’єму до поверхні. Саме воно визначає розмір клітини, який, як правило, є мікроскопічним, і оптимальну форму, яка наближається до еліпсоподібної.

Клітини всіх живих організмів мають єдиний план будови, зумовлений їх трикомпонентністю – усі клітини без винятку складаються з поверхневого апарату, цитоплазми і генетичного апарату (ядра у еукаріотів).