Τα σώματα των ζωντανών οργανισμών μπορεί να είναι ένα μεμονωμένο κύτταρο, μια ομάδα από αυτά ή μια τεράστια συσσώρευση, που αριθμεί δισεκατομμύρια τέτοιες στοιχειώδεις δομές. Τα τελευταία περιλαμβάνουν τα περισσότερα από τα ανώτερα φυτά. Η μελέτη του κυττάρου - του κύριου στοιχείου της δομής και των λειτουργιών των ζωντανών οργανισμών - ασχολείται με την κυτταρολογία. Αυτός ο κλάδος της βιολογίας άρχισε να αναπτύσσεται γρήγορα μετά την ανακάλυψη του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, τη βελτίωση της χρωματογραφίας και άλλων μεθόδων βιοχημείας. Εξετάστε τα κύρια χαρακτηριστικά, καθώς και τα χαρακτηριστικά με τα οποία το φυτικό κύτταρο διαφέρει από τις μικρότερες δομικές μονάδες της δομής των βακτηρίων, των μυκήτων και των ζώων.
Άνοιγμα του κελιού από τον R. Hooke
Η θεωρία των μικροσκοπικών στοιχείων της δομής όλων των ζωντανών όντων έχει περάσει το μονοπάτι της ανάπτυξης, μετρημένο σε εκατοντάδες χρόνια. Η δομή της φυτικής κυτταρικής μεμβράνης πρωτοείδε στο μικροσκόπιό του ο Βρετανός επιστήμονας R. Hooke. Οι γενικές διατάξεις της υπόθεσης των κυττάρων διατυπώθηκαν από τους Schleiden και Schwann, προτού άλλοι ερευνητές καταλήξουν σε παρόμοια συμπεράσματα.
Ο Άγγλος R. Hooke εξέτασε μια φέτα φελλού βελανιδιάς με μικροσκόπιο και παρουσίασε τα αποτελέσματα σε μια συνάντηση της Βασιλικής Εταιρείας στο Λονδίνο στις 13 Απριλίου 1663 (σύμφωνα μεάλλες πηγές, το γεγονός συνέβη το 1665). Αποδείχθηκε ότι ο φλοιός ενός δέντρου αποτελείται από μικροσκοπικά κύτταρα, που ονομάζονται «κύτταρα» από τον Χουκ. Τα τοιχώματα αυτών των θαλάμων, που σχηματίζουν ένα μοτίβο σε μορφή κηρήθρας, ο επιστήμονας θεώρησε ότι ήταν μια ζωντανή ουσία και η κοιλότητα αναγνωρίστηκε ως μια άψυχη, βοηθητική δομή. Αργότερα αποδείχθηκε ότι μέσα στα κύτταρα των φυτών και των ζώων περιέχουν μια ουσία, χωρίς την οποία είναι αδύνατη η ύπαρξή τους, και τη δραστηριότητα ολόκληρου του οργανισμού.
Κυτταρική θεωρία
Η σημαντική ανακάλυψη του R. Hooke αναπτύχθηκε στα έργα άλλων επιστημόνων που μελέτησαν τη δομή των ζωικών και φυτικών κυττάρων. Παρόμοια δομικά στοιχεία παρατηρήθηκαν από επιστήμονες σε μικροσκοπικές τομές πολυκύτταρων μυκήτων. Διαπιστώθηκε ότι οι δομικές μονάδες των ζωντανών οργανισμών έχουν την ικανότητα να διαιρούνται. Με βάση την έρευνα, οι εκπρόσωποι των βιολογικών επιστημών της Γερμανίας M. Schleiden και T. Schwann διατύπωσαν μια υπόθεση που αργότερα έγινε η κυτταρική θεωρία.
Σύγκριση φυτικών και ζωικών κυττάρων με βακτήρια, φύκια και μύκητες επέτρεψε στους Γερμανούς ερευνητές να καταλήξουν στο εξής συμπέρασμα: οι «θάλαμοι» που ανακάλυψε ο R. Hooke είναι στοιχειώδεις δομικές μονάδες και οι διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτούς αποτελούν τη βάση της ζωής των περισσότερων οργανισμών στη Γη. Μια σημαντική προσθήκη έγινε από τον R. Virkhov το 1855, σημειώνοντας ότι η κυτταρική διαίρεση είναι ο μόνος τρόπος για την αναπαραγωγή τους. Η θεωρία Schleiden-Schwann με βελτιώσεις έχει γίνει γενικά αποδεκτή στη βιολογία.
Το κύτταρο είναι το μικρότερο στοιχείο στη δομή και τη ζωή των φυτών
Σύμφωνα με τις θεωρητικές θέσεις των Schleiden και Schwann,ο οργανικός κόσμος είναι ένας, που αποδεικνύει την παρόμοια μικροσκοπική δομή ζώων και φυτών. Εκτός από αυτά τα δύο βασίλεια, η κυτταρική ύπαρξη είναι χαρακτηριστική των μυκήτων, τα βακτήρια και οι ιοί απουσιάζουν. Η ανάπτυξη και ανάπτυξη των ζωντανών οργανισμών διασφαλίζεται από την εμφάνιση νέων κυττάρων στη διαδικασία διαίρεσης των υπαρχόντων.
Ένας πολυκύτταρος οργανισμός δεν είναι απλώς μια συσσώρευση δομικών στοιχείων. Μικρές μονάδες δομής αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, σχηματίζοντας ιστούς και όργανα. Οι μονοκύτταροι οργανισμοί ζουν σε απομόνωση, κάτι που δεν τους εμποδίζει να δημιουργήσουν αποικίες. Τα κύρια χαρακτηριστικά του κελιού:
- ικανότητα για ανεξάρτητη ύπαρξη;
- δικός μεταβολισμός;
- αυτοαναπαραγωγή;
- ανάπτυξη.
Στην εξέλιξη της ζωής, ένα από τα πιο σημαντικά στάδια ήταν ο διαχωρισμός του πυρήνα από το κυτταρόπλασμα με τη βοήθεια μιας προστατευτικής μεμβράνης. Η σύνδεση έχει διατηρηθεί, γιατί αυτές οι δομές δεν μπορούν να υπάρχουν χωριστά. Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο υπερ-βασίλεια - μη πυρηνικοί και πυρηνικοί οργανισμοί. Η δεύτερη ομάδα αποτελείται από φυτά, μύκητες και ζώα, τα οποία μελετώνται από τους σχετικούς κλάδους της επιστήμης και γενικότερα της βιολογίας. Ένα φυτικό κύτταρο έχει πυρήνα, κυτταρόπλασμα και οργανίδια, τα οποία θα συζητηθούν παρακάτω.
Ποικιλότητα φυτικών κυττάρων
Στο σπάσιμο ενός ώριμου καρπουζιού, μήλου ή πατάτας, μπορείτε να δείτε δομικά «κύτταρα» γεμάτα με υγρό με γυμνό μάτι. Πρόκειται για κύτταρα εμβρυϊκού παρεγχύματος με διάμετρο έως 1 mm. Οι ίνες μπαστούνι είναι επιμήκεις δομές, το μήκος των οποίων υπερβαίνει σημαντικά το πλάτος. Για παράδειγμα,το κελί ενός φυτού που ονομάζεται βαμβάκι φτάνει σε μήκος τα 65 mm. Οι ίνες λίνου και κάνναβης έχουν γραμμικές διαστάσεις 40–60 mm. Τα τυπικά κύτταρα είναι πολύ μικρότερα -20–50 μm. Τέτοια μικροσκοπικά δομικά στοιχεία φαίνονται μόνο με μικροσκόπιο. Τα χαρακτηριστικά των μικρότερων δομικών μονάδων ενός φυτικού οργανισμού εκδηλώνονται όχι μόνο στις διαφορές στο σχήμα και το μέγεθος, αλλά και στις λειτουργίες που εκτελούνται στη σύνθεση των ιστών.
Φυτικό κύτταρο: βασικά δομικά χαρακτηριστικά
Ο πυρήνας και το κυτταρόπλασμα είναι στενά αλληλένδετα και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, κάτι που επιβεβαιώνεται από έρευνες επιστημόνων. Αυτά είναι τα κύρια μέρη του ευκαρυωτικού κυττάρου, όλα τα άλλα δομικά στοιχεία εξαρτώνται από αυτά. Ο πυρήνας χρησιμεύει για την αποθήκευση και τη μετάδοση των γενετικών πληροφοριών που είναι απαραίτητες για τη σύνθεση πρωτεϊνών.
Ο Βρετανός επιστήμονας R. Brown το 1831 παρατήρησε για πρώτη φορά ένα ειδικό σώμα (πυρήνα) στο κύτταρο ενός φυτού της οικογένειας των ορχιδέων. Ήταν ένας πυρήνας που περιβαλλόταν από ημι-υγρό κυτταρόπλασμα. Το όνομα αυτής της ουσίας σημαίνει στην κυριολεκτική μετάφραση από τα ελληνικά "η κύρια μάζα του κυττάρου". Μπορεί να είναι πιο υγρό ή παχύρρευστο, αλλά απαραίτητα καλύπτεται με μεμβράνη. Το εξωτερικό κέλυφος του κυττάρου αποτελείται κυρίως από κυτταρίνη, λιγνίνη και κερί. Ένα χαρακτηριστικό που διακρίνει τα φυτικά και ζωικά κύτταρα είναι η παρουσία αυτού του ισχυρού τοιχώματος κυτταρίνης.
Η δομή του κυτταροπλάσματος
Το εσωτερικό μέρος ενός φυτικού κυττάρου είναι γεμάτο με υαλόπλασμα με μικροσκοπικούς κόκκους που αιωρούνται σε αυτό. Πιο κοντά στο κέλυφος, το λεγόμενο ενδοπλάσμα περνά σε ένα πιο παχύρρευστο εξώπλασμα. Ακριβώςοι ουσίες αυτές, με τις οποίες γεμίζει το φυτικό κύτταρο, χρησιμεύουν ως χώρος για τη ροή των βιοχημικών αντιδράσεων και τη μεταφορά των ενώσεων, την τοποθέτηση οργανιδίων και εγκλεισμάτων.
Περίπου το 70-85% του κυτταροπλάσματος είναι νερό, το 10-20% είναι πρωτεΐνες, άλλα χημικά συστατικά - υδατάνθρακες, λιπίδια, μεταλλικές ενώσεις. Τα φυτικά κύτταρα έχουν ένα κυτταρόπλασμα, στο οποίο, μεταξύ των τελικών προϊόντων της σύνθεσης, υπάρχουν βιορυθμιστές λειτουργιών και εφεδρικές ουσίες (βιταμίνες, ένζυμα, έλαια, άμυλο).
Core
Σύγκριση φυτικών και ζωικών κυττάρων δείχνει ότι έχουν παρόμοια δομή του πυρήνα, που βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα και καταλαμβάνει έως και το 20% του όγκου του. Ο Άγγλος R. Brown, ο οποίος εξέτασε πρώτος αυτό το πιο σημαντικό και σταθερό συστατικό όλων των ευκαρυωτών με μικροσκόπιο, του έδωσε ένα όνομα από τη λατινική λέξη nucleus. Η εμφάνιση των πυρήνων συνήθως συσχετίζεται με το σχήμα και το μέγεθος των κυττάρων, αλλά μερικές φορές διαφέρει από αυτά. Υποχρεωτικά στοιχεία της δομής είναι η μεμβράνη, η καρυόλυμφος, ο πυρήνας και η χρωματίνη.
Υπάρχουν πόροι στη μεμβράνη που χωρίζει τον πυρήνα από το κυτταρόπλασμα. Μεταφέρουν ουσίες από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα και αντίστροφα. Η καρυόλυμφος είναι ένα υγρό ή παχύρρευστο πυρηνικό περιεχόμενο με περιοχές χρωματίνης. Ο πυρήνας περιέχει ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) που εισέρχεται στα ριβοσώματα του κυτταροπλάσματος για να συμμετάσχει στη σύνθεση πρωτεϊνών. Ένα άλλο νουκλεϊκό οξύ, το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA), υπάρχει επίσης σε μεγάλες ποσότητες. Το DNA και το RNA ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά σε ζωικά κύτταρα το 1869 και στη συνέχεια βρέθηκαν σε φυτά. Ο πυρήνας είναι το κέντροδιαχείριση» των ενδοκυτταρικών διεργασιών, ένα μέρος για την αποθήκευση πληροφοριών σχετικά με τα κληρονομικά χαρακτηριστικά ολόκληρου του οργανισμού.
Ενδοπλασματικό δίκτυο (ER)
Η δομή των ζωικών και φυτικών κυττάρων έχει σημαντική ομοιότητα. Απαραίτητα στο κυτταρόπλασμα υπάρχουν εσωτερικά σωληνάρια γεμάτα με ουσίες διαφορετικής προέλευσης και σύνθεσης. Ο κοκκώδης τύπος του EPS διαφέρει από τον κοκκώδη τύπο από την παρουσία ριβοσωμάτων στην επιφάνεια της μεμβράνης. Το πρώτο εμπλέκεται στη σύνθεση πρωτεϊνών, το δεύτερο παίζει ρόλο στο σχηματισμό υδατανθράκων και λιπιδίων. Όπως έχουν διαπιστώσει οι ερευνητές, τα κανάλια όχι μόνο διεισδύουν στο κυτταρόπλασμα, αλλά συνδέονται με κάθε οργανίδιο ενός ζωντανού κυττάρου. Επομένως, η αξία του EPS εκτιμάται ιδιαίτερα ως συμμετέχων στο μεταβολισμό, ένα σύστημα επικοινωνίας με το περιβάλλον.
Ριβόσωμα
Η δομή ενός φυτικού ή ζωικού κυττάρου είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς χωρίς αυτά τα μικρά σωματίδια. Τα ριβοσώματα είναι πολύ μικρά και φαίνονται μόνο με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Στη σύνθεση των σωμάτων κυριαρχούν πρωτεΐνες και μόρια ριβονουκλεϊκών οξέων, υπάρχει μικρή ποσότητα ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου. Σχεδόν όλο το RNA του κυττάρου συγκεντρώνεται σε ριβοσώματα· παρέχουν πρωτεϊνοσύνθεση «συναρμολογώντας» πρωτεΐνες από αμινοξέα. Στη συνέχεια οι πρωτεΐνες εισέρχονται στα κανάλια ER και μεταφέρονται από το δίκτυο σε όλο το κύτταρο, διεισδύουν στον πυρήνα.
Μιτοχόνδρια
Αυτά τα οργανίδια του κυττάρου θεωρούνται ενεργειακοί σταθμοί του, είναι ορατά όταν μεγεθύνονται σε ένα συμβατικό μικροσκόπιο φωτός. Ο αριθμός των μιτοχονδρίων ποικίλλει σε πολύ μεγάλο εύρος, μπορεί να υπάρχουν μονάδες ή χιλιάδες. Η δομή του οργανοειδούς δεν είναι πολύ περίπλοκη, υπάρχουν δύομεμβράνες και μήτρα στο εσωτερικό. Τα μιτοχόνδρια αποτελούνται από πρωτεϊνικά λιπίδια, DNA και RNA, είναι υπεύθυνα για τη βιοσύνθεση του ATP - τριφωσφορικού οξέος αδενοσίνης. Αυτή η ουσία ενός φυτικού ή ζωικού κυττάρου χαρακτηρίζεται από την παρουσία τριών φωσφορικών αλάτων. Η διάσπαση καθενός από αυτά παρέχει την ενέργεια που απαιτείται για όλες τις διαδικασίες ζωής στο ίδιο το κύτταρο και σε όλο το σώμα. Αντίθετα, η προσθήκη υπολειμμάτων φωσφορικού οξέος καθιστά δυνατή την αποθήκευση ενέργειας και τη μεταφορά της με αυτή τη μορφή σε όλο το κύτταρο.
Σκεφτείτε τα κυτταρικά οργανίδια στο παρακάτω σχήμα και ονομάστε αυτά που ήδη γνωρίζετε. Σημειώστε το μεγάλο κυστίδιο (κενό) και τα πράσινα πλαστίδια (χλωροπλάστες). Θα μιλήσουμε για αυτά αργότερα.
συγκρότημα Golgi
Το σύνθετο κυτταρικό οργανοειδές αποτελείται από κόκκους, μεμβράνες και κενοτόπια. Το συγκρότημα άνοιξε το 1898 και πήρε το όνομά του από τον Ιταλό βιολόγο. Χαρακτηριστικά των φυτικών κυττάρων είναι η ομοιόμορφη κατανομή των σωματιδίων Golgi σε όλο το κυτταρόπλασμα. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το σύμπλεγμα είναι απαραίτητο για τη ρύθμιση της περιεκτικότητας του νερού και των απορριμμάτων, την απομάκρυνση της περίσσειας ουσιών.
Πλαστίδια
Μόνο τα κύτταρα των φυτικών ιστών περιέχουν πράσινα οργανίδια. Επιπλέον, υπάρχουν άχρωμα, κίτρινα και πορτοκαλί πλαστίδια. Η δομή και οι λειτουργίες τους αντικατοπτρίζουν τον τύπο της διατροφής των φυτών και μπορούν να αλλάξουν χρώμα λόγω χημικών αντιδράσεων. Κύριοι τύποι πλαστιδίων:
- πορτοκαλί και κίτρινοι χρωμοπλάστες που σχηματίζονται από καροτίνη και ξανθοφύλλη;
- χλωροπλάστες που περιέχουν κόκκους χλωροφύλλης -πράσινη χρωστική ουσία;
- οι λευκοπλάστες είναι άχρωμα πλαστίδια.
Η δομή ενός φυτικού κυττάρου σχετίζεται με τις χημικές αντιδράσεις της σύνθεσης οργανικής ύλης από διοξείδιο του άνθρακα και νερό χρησιμοποιώντας φωτεινή ενέργεια. Το όνομα αυτής της εκπληκτικής και πολύ περίπλοκης διαδικασίας είναι φωτοσύνθεση. Οι αντιδράσεις πραγματοποιούνται χάρη στη χλωροφύλλη, είναι αυτή η ουσία που μπορεί να συλλάβει την ενέργεια μιας δέσμης φωτός. Η παρουσία της πράσινης χρωστικής εξηγεί το χαρακτηριστικό χρώμα των φύλλων, των ποωδών στελεχών, των άγουρων καρπών. Η χλωροφύλλη είναι παρόμοια στη δομή με την αιμοσφαιρίνη στο αίμα των ζώων και των ανθρώπων.
Το κόκκινο, κίτρινο και πορτοκαλί χρώμα διαφόρων φυτικών οργάνων οφείλεται στην παρουσία χρωμοπλαστών στα κύτταρα. Βασίζονται σε μια μεγάλη ομάδα καροτενοειδών που παίζουν σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό. Οι λευκοπλάστες είναι υπεύθυνοι για τη σύνθεση και τη συσσώρευση του αμύλου. Τα πλαστίδια αναπτύσσονται και πολλαπλασιάζονται στο κυτταρόπλασμα, κινούμενοι μαζί του κατά μήκος της εσωτερικής μεμβράνης του φυτικού κυττάρου. Είναι πλούσια σε ένζυμα, ιόντα και άλλες βιολογικά ενεργές ενώσεις.
Διαφορές στη μικροσκοπική δομή των κύριων ομάδων ζωντανών οργανισμών
Τα περισσότερα κύτταρα μοιάζουν με έναν μικροσκοπικό σάκο γεμάτο με βλέννα, σώματα, κόκκους και κυστίδια. Συχνά υπάρχουν διάφορα εγκλείσματα με τη μορφή στερεών κρυστάλλων ορυκτών, σταγόνων ελαίων, κόκκων αμύλου. Τα κύτταρα βρίσκονται σε στενή επαφή στη σύνθεση των φυτικών ιστών, η ζωή στο σύνολό της εξαρτάται από τη δραστηριότητα αυτών των μικρότερων δομικών μονάδων που σχηματίζουν ένα σύνολο.
Με πολυκυτταρική δομή, υπάρχειεξειδίκευση, η οποία εκφράζεται σε διαφορετικά φυσιολογικά καθήκοντα και λειτουργίες μικροσκοπικών δομικών στοιχείων. Καθορίζονται κυρίως από τη θέση των ιστών στα φύλλα, τη ρίζα, το στέλεχος ή τα γεννητικά όργανα του φυτού.
Ας επισημάνουμε τα κύρια στοιχεία της σύγκρισης του φυτικού κυττάρου με τις στοιχειώδεις δομικές μονάδες άλλων ζωντανών οργανισμών:
- Πυκνό κέλυφος, χαρακτηριστικό μόνο για τα φυτά, σχηματίζεται από ίνες (κυτταρίνη). Στους μύκητες, η μεμβράνη αποτελείται από ανθεκτική χιτίνη (μια ειδική πρωτεΐνη).
- Τα κύτταρα των φυτών και των μυκήτων διαφέρουν ως προς το χρώμα λόγω της παρουσίας ή απουσίας πλαστιδίων. Σώματα όπως οι χλωροπλάστες, οι χρωμοπλάστες και οι λευκοπλάστες υπάρχουν μόνο στο φυτικό κυτταρόπλασμα.
- Υπάρχει ένα οργανοειδές που διακρίνει τα ζώα - αυτό είναι το κεντριόλιο (κέντρο κυττάρων).
- Μόνο στο φυτικό κύτταρο υπάρχει ένα μεγάλο κεντρικό κενοτόπιο γεμάτο με περιεχόμενο υγρού. Συνήθως αυτός ο κυτταρικός χυμός χρωματίζεται με χρωστικές σε διαφορετικά χρώματα.
- Η κύρια αποθεματική ένωση του φυτικού οργανισμού είναι το άμυλο. Τα μανιτάρια και τα ζώα συσσωρεύουν γλυκογόνο στα κύτταρά τους.
Μεταξύ των φυκών, είναι γνωστά πολλά μεμονωμένα κύτταρα που ζουν ελεύθερα. Για παράδειγμα, ένας τέτοιος ανεξάρτητος οργανισμός είναι η χλαμυδομονάδα. Αν και τα φυτά διαφέρουν από τα ζώα με την παρουσία ενός κυτταρικού τοιχώματος, αλλά τα γεννητικά κύτταρα δεν διαθέτουν τόσο πυκνό κέλυφος - αυτό είναι άλλη μια απόδειξη της ενότητας του οργανικού κόσμου.
