2.3: Клітина - це найменша одиниця життя

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3037

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Рівні біологічної організації

Живі істоти високо організовані і структуровані, слідуючи ієрархії масштабу від малого до великого (рис.\(\PageIndex{1}\)). Атом є найменшою і найбільш фундаментальною одиницею питання. Він складається з ядра, оточеного електронами. Атоми об'єднуються, утворюючи молекули, які є хімічними структурами, що складаються щонайменше з двох атомів, утримуваних разом хімічним зв'язком. У рослин, тварин та багатьох інших типів організмів молекули об'єднуються специфічними способами для створення структур, званих органелами. Органели - це невеликі структури, які існують всередині клітин і виконують спеціалізовані функції. Як більш детально розглянуто нижче, все живе складається з однієї або декількох клітин.

Блок-схема показує ієрархію живих організмів. Від найменшої до найбільшої ця ієрархія включає: 1 Атом, з протонами, нейтронами та електронами. 2 Молекули, такі як показаний фосфоліпід, складаються з атомів. 3 органели, такі як апарат Гольджі та ядра, які існують всередині клітин. 4 Клітини, такі як еритроцити. 5 Тканини, такі як тканина шкіри людини. 6 Такі органи, як шлунок і кишечник, складають травну систему людини, приклад системи органів. 7 Організми, популяції та спільноти. У парку кожна людина - це організм. Разом всі люди складають населення. Усі види рослин та тварин у парку складають спільноту. 8 Екосистеми: Екосистема Центрального парку в Нью-Йорку включає живі організми та середовище, в якому вони живуть. 9 Біосфера: охоплює всі екосистеми на Землі. — Малюнок\(\PageIndex{1}\). Від атома до всієї Землі біологія вивчає всі аспекти життя. (кредит «молекула»: модифікація роботи Джейн Уїтні; кредит «органели»: модифікація роботи Луїзи Говард; кредит «клітини»: модифікація роботи Брюса Ветзеля, Гаррі Шефера, Національний інститут раку; кредит «тканина»: модифікація роботи «Кілбад/Вікісховище»; кредит «органи»: модифікація роботи Маріани Руїс Вільяреаль, Жоакім Алвес Гаспар; кредитні «організми»: модифікація роботи Пітера Даттона; кредит «екосистема»: модифікація роботи «Gigi4791″/Flickr; кредит «біосфера»: модифікація роботи НАСА)

У більшості багатоклітинних організмів клітини об'єднуються, утворюючи тканини, які представляють собою групи подібних клітин, що виконують одну і ту ж функцію. Органи - це сукупності тканин, згрупованих разом на основі загальної функції. Органи присутні не тільки у тварин, але і у рослин. Органна система - це більш високий рівень організації, який складається з функціонально пов'язаних органів. Наприклад, хребетні тварини мають багато систем органів, таких як кровоносна система, яка транспортує кров по всьому тілу та до легенів та з них; вона включає такі органи, як серце та кровоносні судини. Організми — це окремі живі істоти. Наприклад, кожне дерево в лісі - це організм.

Всі особини виду, що мешкають в межах певної місцевості, в сукупності називаються популяцією. Спільнота - це сукупність різних популяцій, що населяють загальну територію. Наприклад, всі дерева, квіти, комахи та інші популяції в лісі утворюють громаду лісу. Сам ліс є екосистемою. Екосистема складається з усіх живих істот у певній місцевості разом з абіотичними або неживими частинами цього середовища, такими як азот у ґрунті або дощовій воді. На вищому рівні організації біосфера - це сукупність всіх екосистем, і вона являє собою зони життя на Землі. Вона включає землю, воду та частини атмосфери.

Теорія клітин

Закрийте очі і зобразіть цегляну стіну. Що є основним будівельним блоком цієї стіни? Це, звичайно, єдиний цегла. Як цегляна стіна, ваше тіло складається з основних будівельних блоків, а будівельні блоки вашого тіла - клітини. У вашому тілі є багато видів клітин, кожна з яких спеціалізується для певної мети. Подібно до того, як будинок виготовляється з різних будівельних матеріалів, тіло людини побудовано з багатьох типів клітин. Наприклад, кісткові клітини допомагають підтримувати і захищати організм. Клітини імунної системи борються з вторглися бактеріями. А еритроцити переносять кисень по всьому тілу. Кожен з цих типів клітин відіграє життєво важливу роль під час росту, розвитку та щоденного обслуговування організму. Однак, незважаючи на їх величезну різноманітність, всі клітини мають певні фундаментальні характеристики.

Мікроскопи, які ми використовуємо сьогодні, набагато складніші, ніж ті, які використовував у 1600-х роках Ентоні ван Леувенгук, голландський крамар, який мав велику майстерність у виготовленні лінз. Незважаючи на обмеження своїх нині давніх лінз, ван Леувенгук спостерігав за рухами одноклітинного організму і сперми, які він в сукупності назвав «тваринними кулами». У публікації 1665 року під назвою Micrographia вчений-експериментал Роберт Гук придумав термін «клітина» (від латинського cella, що означає «маленька кімната») для коробоподібних структур, які він спостерігав при перегляді коркової тканини через лінзу. У 1670-х роках ван Леувенгук виявив бактерії і найпростіші. Пізніші досягнення в області лінз і конструкції мікроскопа дозволили іншим вченим побачити різні компоненти всередині клітин.

До кінця 1830-х років ботанік Маттіас Шлейден і зоолог Теодор Шванн вивчали тканини і запропонували єдину клітинну теорію, яка стверджує, що все живе складається з однієї або декількох клітин, що клітина є основною одиницею життя, і що всі нові клітини виникають з існуючих клітин. Ці принципи стоять і сьогодні. Існує багато типів клітин, і всі вони згруповані в одну з двох широких категорій: прокаріотичні та еукаріотичні. Тваринні, рослинні, грибкові та протистильні клітини класифікуються як еукаріотичні, тоді як бактерії та клітини архей класифікуються як прокаріотичні.

Всі клітини поділяють чотири загальні компоненти: 1) плазмову мембрану, зовнішнє покриття, яке відокремлює внутрішню частину клітини від навколишнього її середовища; 2) цитоплазма, що складається з желеподібної області всередині клітини, в якій знаходяться інші клітинні компоненти; 3) ДНК, генетичний матеріал клітини; і 4) рибосоми, частинки, які синтезують білки. Однак прокаріоти відрізняються від еукаріотичних клітин декількома способами.

Компоненти прокаріотичних клітин

Прокаріотична клітина - це простий одноклітинний (одноклітинний) організм, якому не вистачає ядра, або будь-якої іншої органели, пов'язаної з мембранами. Незабаром ми побачимо, що це значно відрізняється у еукаріотів. Прокаріотична ДНК знаходиться в центральній частині клітини: затемнена область, яка називається нуклеоїдом (рис.\(\PageIndex{1}\)).

На відміну від археї та еукаріотів, бактерії мають клітинну стінку, виготовлену з пептидоглікану (молекули, що складаються з цукрів та амінокислот), а багато з них мають полісахаридну капсулу. Клітинна стінка діє як додатковий шар захисту, допомагає клітині підтримувати свою форму, запобігає зневодненню. Капсула дозволяє клітині прикріплюватися до поверхонь у своєму середовищі. Деякі прокаріоти мають джгутики, пілі або бахромки. Для пересування використовуються джгутики. Пілі використовуються для обміну генетичним матеріалом під час типу розмноження, званого кон'югацією. Fimbriae - це білкові придатки, які використовуються бактеріями для приєднання до інших клітин.

Еукаріотичні клітини

Еукаріотична клітина - це клітина, яка має пов'язане з мембраною ядро та інші мембранно-зв'язані відсіки, звані органелами. Існує багато різних видів органел, кожна з яких має вузькоспеціалізовану функцію (див. Рис.\(\PageIndex{3}\)). Слово еукаріот означає «справжнє ядро» або «справжнє ядро», натякаючи на наявність в цих клітині зв'язаного з мембранами ядра. Слово «органела» означає «маленький орган», і, як уже згадувалося, органели мають спеціалізовані клітинні функції, так само як органи вашого тіла мають спеціалізовані функції.

Розмір комірки

При діаметрі 0,1-5,0 мкм більшість прокаріотичних клітин значно менше, ніж еукаріотичні клітини, які мають діаметри від 10 до 100 мкм (рис.\(\PageIndex{3}\)). Невеликий розмір прокаріотів дозволяє іонам і органічним молекулам, які потрапляють в них, швидко поширюватися на інші частини клітини. Подібним чином будь-які відходи, що утворюються в прокаріотичній клітині, можуть швидко виходити назовні. Однак більші еукаріотичні клітини розвинули різні структурні пристосування для посилення клітинного транспорту. Дійсно, великий розмір цих клітин був би неможливий без цих пристосувань. Загалом, розмір клітини обмежений, оскільки обсяг збільшується набагато швидше, ніж площа поверхні клітини. Коли клітина стає більшою, клітині стає все важче придбати достатню кількість матеріалів для підтримки процесів всередині клітини, оскільки відносний розмір площі поверхні, через яку повинні транспортуватися матеріали, зменшується.

Клітини тварин проти рослинних клітин

Незважаючи на їх принципову схожість, між клітинами тварин і рослин є деякі разючі відмінності (рис.\(\PageIndex{3}\)). Клітини тварин мають центриоли, центросоми та лізосоми, тоді як рослинні клітини - ні. Клітини рослин мають жорстку клітинну стінку, яка є зовнішньою для плазматичної мембрани, хлоропластів, плазмодесматів і пластид, що використовуються для зберігання, і велику центральну вакуоль, тоді як клітини тварин цього не роблять.

хлоропласти

З екологічної точки зору хлоропласти є особливо важливим типом органел, оскільки вони виконують фотосинтез. Фотосинтез становить основу харчових ланцюгів у більшості екосистем. Хлоропласти містяться лише в еукаріотичних клітині, таких як рослини та водорості. Під час фотосинтезу вуглекислий газ, вода та світлова енергія використовуються для отримання глюкози та молекулярного кисню. Однією з головних відмінностей між водоростями/рослинами та тваринами є те, що рослини/водорості здатні виробляти власну їжу, як глюкоза, тоді як тварини повинні отримувати їжу, споживаючи інші організми.

На цій ілюстрації показаний хлоропласт, який має зовнішню мембрану і внутрішню мембрану. Простір між зовнішньою і внутрішньою оболонками називається міжмембранним простором. Усередині внутрішньої мембрани розташовані плоскі, схожі на млинці структури, звані тилакоїдами. Тилакоїди утворюють стеки, звані грана. Рідина всередині внутрішньої мембрани називається стромою, а простір всередині тилакоїда називається тилакоїдним простором. — Малюнок\(\PageIndex{6}\). Ця спрощена схема хлоропласта показує його структуру.

Хлоропласти мають зовнішню і внутрішню мембрани, але всередині простору, укладеного внутрішньою мембраною хлоропласту, знаходиться набір взаємопов'язаних і складені, наповнених рідиною мембранних мішків, званих тилакоїдами (рис.\(\PageIndex{4}\) Нижче). Кожна стопка тилакоїдів називається гранумом (множина = грана). Рідина, укладена внутрішньою мембраною і оточує грану, називається стромою. Кожна структура всередині хлоропласту виконує важливу функцію, яка забезпечується його особливою формою. Загальною темою в біології є те, що форма і функція взаємопов'язані. Наприклад, багаті мембранами стеки тілакоїдів забезпечують достатню площу поверхні для вбудовування білків і пігментів, які є життєво важливими для фотосинтезу.

Автори та атрибуція

«Основи екологічної науки» Камали Доршнер ліцензовано відповідно до CC BY 4.0. «Рівні організації живих істот» від Open Stax ліцензується відповідно до CC BY 4.0. Змінено з оригіналів Метью Р. Фішер.