Строение клетки: размер, форма и общий план

Каким должен быть размер клетки. Как уже отмечалось, обычные клетки, из которых построены тела животных и растений, а также подавляющее большинство одноклеточных существ, незаметны для человеческого глаза. Их диаметр колеблется от 0,001 до 0,1 мм. Длина усредненной клетки человека около 0,03 мм. С чем связан такой их небольшой размер ? Почему природа в процессе эволюции не довела размеры клеток, например млекопитающих, хотя бы до размеров рисового зернышка ?

Ученые подсчитали, что наименьший размер клетки, которая содержит минимум ДНК, будет иметь свой синтетический и энергетический аппарат, должна быть в пределах одной тысячной миллиметра. Оказалось, что расчеты верны, есть такие организмы – это одни из наиболее просто организованных бактерий – микоплазмы, диаметр их клеток составляет 0,0002-0,0003 мм. Они настолько малы, что их размер выходит на уровень разрешения светового микроскопа. (Вспомните, какую роль в природе играют эти организмы.)

По мере развития уровня организации клетки эволюционно более развитых организмов должны увеличиваться в размерах. Ведь им необходимо иметь более совершенный генетический аппарат, который синтезировал бы большее количество разнообразных белков, что позволило бы клеткам осуществлять больше функций.

Увеличение размеров генетического аппарата неизбежно приведет к росту содержания ДНК в клетке и соответственно к увеличению размеров самой клетки. Действительно, подобная закономерность имеет место. Если обычно длина бактериальной клетки составляет 1-10 мкм, то эукариотичной – 10-100 мкм. Например, длина клеток крупнейших бактерий составляет только 0,002 мм, тогда как маленькие клетки человека (малые лейкоциты) имеют диаметр 0,003-0,004 мм. Неравнозначность размеров клеток имеет место и среди эукариот. Как правило, клетки насекомых меньше клетки позвоночных животных, и это вполне естественно – в последних генетический аппарат устроен сложнее. Однако, несмотря на очевидную тенденцию по увеличению размеров клеток, связанную с ростом уровня организации, они все равно остаются микроскопическими. Очевидно, оптимальная клетка имеет те же размеры, что и клетки человека – в среднем 0,02-0,04 мм.

Почему же размеры клеток не превышают этот предел ? Дело в том, что размер клетки регулирует соотношение между ее поверхностью и объемом. Химические реакции идут по всему объему клетки, который при увеличении линейных параметров растет в кубической зависимости. Эти процессы превращения веществ обеспечиваются поступлением вещества и энергии через поверхность клетки, площадь которой растет квадратично. Это означает, что при увеличении размеров клетки ее поверхность «отстает» от ее объема. Несмотря ни на какие преимущества, которые предоставляет большой генетический аппарат, клетки все равно остаются микроскопическими. Итак, гигантские животные и растения становятся таковыми не за счет увеличения размеров самих клеток, а за счет их огромного количества.

В природе множество клеток – гигантов. Крупнейшими клетками считают яйцеклетки позвоночных животных – рыб, земноводных, рептилий и птиц. Яйцеклетка костной рыбы или лягушки – это икринка, а птицы – желток яйца. Считается, что наибольшие по размерам яйца имели древние огромные ящеры – динозавры и ископаемые нелетающие птицы – эпиорнисы. Масса этих птиц была около 500 кг! Их яйца имели диаметр 28 см, а объем составлял 8-9 л.

Среди современных птиц крупным является яйцо африканского страуса, его диаметр 22 см, а объем до 2 л. За счет чего удается яйцеклеткам быть такими большими ? Дело в том, что цитоплазма яйцеклеток в основном заполнена запасными веществами, клетка находится в состоянии относительного покоя и не требует большого количества кислорода.

Многие растительные клетки, особенно в зрелых плодах, настолько велики, что хорошо заметны невооруженным глазом. Такие размеры достигаются за счет гигантской вакуоли,  которая занимает в клетке всю ее центральную часть, и которая прижимает цитоплазму к клеточной оболочке, облегчая ей таким образом обмен веществами с окружающей средой. Крупнейшими клетками человека являются нейроны, и хотя тело нейрона не больше, чем у обычной клетки, и его отростки достигают у крупных млекопитающих нескольких метров. Оказывается, в тела, имеющие форму трубы, нарастание объема относительно поверхности идет гораздо меньшими темпами, чем у шаровидного. В результате соотношение клеточного объема нейрона, который увеличивается за счет аксонов, незначительно опережает рост поверхности клетки. (Обозначьте причинно – следственные связи между размером и функцией клетки, приведите примеры.)

Какой формы должна быть клетка. Если исходить из законов физики, то клетка должна иметь форму шара – такую ​​же, как в мыльном пузыре. Эта форма является идеальной, поскольку в этом случае натяжение распределяется равномерно по всей поверхности. Однако в живой природе часто бывает не так, как в неживой. Клетки округлой формы крайне редки, они распространены только среди простых неподвижных бактерий, встречаются также между неподвижными водорослями и яйцами животных. Чаще всего клетки имеют вытянутую, эллипсообразную или цилиндрическую форму. Причина та же – соотношение объема и поверхности. В идеальном шаре соотношение между поверхностью и объемом минимальное, тогда как переход от шаровидной формы к эллипсообразной автоматически приводит к относительному увеличению поверхности. (Вспомните формулу определения объема шара и эллипса.) Итак, при прочих равных условиях это способствует гораздо более эффективному поступлению вещества и энергии к содержимому клетки. Кроме того, крупные клетки имеют неправильную форму, которая увеличивает их поверхность. Для них характерны ворсинки, отростки или выпячивания. (Вспомните, амебы – это одни из простейших, их вполне может увидеть человек с хорошим зрением.) Многие клетки имеют сплюснутую форму, что также увеличивает их поверхность.

Чтобы самому убедиться в том, что в природе нет клеток идеальной шарообразной формы, достаточно посмотреть на птичьи яйца. Несмотря на непохожесть форм у разных видов, они всегда яйцевидные – то есть в разрезе подобны эллипсу.

Форма клеток во многом зависит от функций, которые они выполняют. Клетки, связанные с транспортировкой веществ, например эритроциты, – мелкие, округлые, имеют форму диска. Клетки эпидермиса, выполняет защитную функцию, – среднего размера, звездчатой ​​продолговато – угловатой формы. Лимфоциты напоминают амеб. Нейроны, задачей которых является передача нервных сигналов, имеют длинные отростки, сперматозоиды – одни из самых древних клеток многоклеточного организма – подвижный хвостик, яйцеклетки всегда большие и шаровидной формы. (На конкретном примере докажите связь между формой клетки и ее функцией.)

Все клетки, несмотря на разнообразие формы и размеров, различия в которых даже у одного биологического вида могут достигать миллионов раз (соотношение объемов человеческого сперматозоида и яйцеклетки), имеют общий план строения. В чем он заключается ? Все одноклеточные организмы (бактерии, простейшие, водоросли), а также клетки высших растений, грибов и животных имеют: поверхностный аппарат, который расположен на поверхностной плазматической мембране; цитоплазму – внутренняя среда клетки, в которой происходит большинство химических процессов, а также генетический аппарат, который в эукариотических организмов сосредоточена в ядре. (Вспомните другие общие черты строения клеток одного организма, различных систематических групп, царств.)

Главным фактором, определяющим размер и форму клетки, является соотношение ее объема к поверхности. Именно оно определяет размер клетки, который, как правило, является микроскопическим, и оптимальную форму, которая приближается к эллипсообразной.

Клетки всех живых организмов имеют единый план строения, который обусловлен их трикомпонентностью – все клетки без исключения состоят из поверхностного аппарата, цитоплазмы и генетического аппарата (ядра эукариот).

Теги: Биология, клеточная мембрана, микоплазмы, развитие клетки, строения клетки, Форма клеток, цитоплазма