Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

202

хлоропласты ~ 1—5 мкм).

Образное сравнение размеров клетки и содержащихся в ней веществ приводит английский ученый Дж. Кендрью [64]: «Представьте себе, что увеличили человека до размеров Великобритании, тогда клетка имеет размер фабричного здания. Внутри клетки находятся содержащие тысячи атомов большие молекулы, в том числе молекулы нуклеиновой кислоты. Так вот даже при таком громадном увеличении, которое мы себе вообразили, молекулы нуклеиновой кислоты будут меньше электрических проводов».

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) — это система внутриклеточных мембран, каналов, пузырьков, трубочек, пронизы-

336

вающих цитоплазму, которые делят клетку на отдельные отсеки — компартменты. В ЭР для нужд самой клетки и других клеток организма синтезируются молекулы доставленного вещества. Комплекс Гольджи — характерная структура, состоящая из собранных в стопки дисковидных мембран, которые связаны друг с другом многочисленными пузырьками, отшнуровывающимися от ЭР. С помощью этих пузырьков, выполняющих транспортные функции, молекулы вещества, предназначенные для удаления из клетки и упакованные в гранулы, выводятся за пределы клетки.

Рибосома является сложной органеллой, в которой происходит синтез белка из аминокислот. Она также прикреплена к ЭР и состоит из комплекса молекулярных белков и рибонуклеиновой кислоты (РНК). Жгутики — белковые органеллы, отходящие от поверхности клетки в виде вытянутых отростков длиной 1—20 мкм. С помощью жгутика клетка перемещается в жидкой среде. Митохондрия представляет собой палочкообразную органеллу диаметром ~1 мкм и длиной около 7 мкм и имеет двойную мембрану. На внутренней мембране локализован фермент, ответственный за синтез аденозинтрифосфата (АТФ).

Митохондрии являются «микроэнергетическими станциями» клетки: в них происходят сложные биохимические реакции, в результате которых накапливается энергия за счет расщепления углеводов, жирных кислот, аминокислот, и превращение этой энергии в АТФ. АТФ является хранилищем внутриклеточной энергии, необходимой для процессов доставки, синтеза, транспортировки и выведения молекул из клетки. Количество митохондрий в клетке — до нескольких тысяч. Лизосомы — органеллы, перерабатывающие отходы, которые возникают в ходе метаболических процессов, расщепляя их на простые продукты, которые, растворяясь, покидают клетку через плазматическую мембрану. Они и представляют собой мелкие пузырьки, ограниченные мембраной.

В структуру растительной клетки дополнительно входят пластиды — хлоропласты, хромопласты, лейкопласты. Хлоропласт — органелла диаметром 5—10 мкм, состоящая из комплекса мембран, двойной наружной и внутренних в виде стопок дисков, содержащих компоненты фотосинтезирующего аппарата. В нем имеется хлорофилл, преобразующий внешнюю световую энергию в химическую энергию АТФ, которая расходуется на образование углерода из углекислого газа. Хромопласт содержит различные пигменты, а лейкопласты — крахмал. Все эти органеллы

337

вместе с цитоплазмой клетки отделяются друг от друга и внешней среды плазматической мембраной — полупроницаемым молекулярным барьером, контролирующим движение молекул и ионов в клетку и из клетки.

12.4.2. Процессы в клетке

Рассмотрим процессы, происходящие в клетке во время ее жизнедеятельности. В живой клетке должно поддерживаться постоянство состава веществ, что осуществляется контролируемым обменом веществ с помощью именно мембран, которые отделяют внутреннюю среду клетки (или внутри клетки) от внешней и являются границами клетки (или ее внутренних участков и тел в ней). Прохождение веществ через мембраны осуществляют липиды (с их водоотталкивающими свойствами) и белки, способные связывать воду, и оно реализуется через физические и биологические механизмы

диффузии, транспорта и осмоса.

Диффузия — это процесс перемещения молекул или атомов из областей с большей их концентрацией (или давлением) в сторону областей с меньшей концентрацей (или давлением). Законы диффузии хорошо изучены и вполне применимы к перемещению

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

203

молекул в живом организме. Особенно важна для биосистем диффузия ионов в водных растворах. Не менее важна роль диффузии в переносе кислорода воздуха через стенки альвеол легких и попадании его в кровь человека.

Диффузия молекулярных ионов через мембраны осуществляется с помощью электрического потенциала внутри клетки. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны играют роль «таможни» при перемещении товаров через границу: одни вещества пропускают, другие — задерживают, а третьи — вообще «выдворяют» из клетки. Роль мембран в жизни клеток очень велика. Гибнущая клетка теряет контроль над возможностью регулировать концентрацию веществ через мембрану. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости и сбои в работе ее наружной мембраны.

Помимо обычного транспорта — кинетического процесса переноса частиц вещества под действием градиентов электрического или химического потенциала, температуры или давления — в клеточных процессах имеет место и активный транспорт — движение молекул и ионов против градиента концентрации веществ. Такой механизм диффузии назвали осмосом. Этот процесс

338

осуществляется за счет неодинакового осмотического давления в водном растворе по разные стороны биологической мембраны. Вода часто свободно проходит путем осмоса через мембрану, но эта мембрана может быть непроницаема для веществ, растворенных в воде. Любопытно, что вода течет против диффузии этого вещества, но подчиняясь общему закону градиента концентрации воды.

Поэтому вода стремится из более разбавленного раствора, где ее концентрация выше, в более концентрированный раствор вещества, в котором концентрация воды ниже. Не имея возможности непосредственно всасывать и откачивать воду, клетка осуществляет это с помощью осмоса, изменяя концентрацию находящихся в ней растворенных веществ. В результате осмоса выравниваются концентрации раствора по обе стороны мембраны. Активный транспорт в организме, в частности, используется в так называемом натрий-калиевом насосе, который извлекает ионы натрия из клетки и накачивает ионы калия в нее, используя для этого энергию АТФ.

Таким образом, клетка является открытой термодинамической системой, осуществляющей обмен веществом и энергией с окружающей средой, но сохраняющей определенное постоянство внутренней среды. Эти два свойства саморегулирующейся системы — открытость и постоянство — выполняются одновременно, причем за постоянство клетки отвечает обмен веществ (метаболизм). Обмен веществ является тем регулятором, который способствует сохранению системы, он обеспечивает целесообразное реагирование на воздействие окружающей среды. Поэтому необходимым условием обмена веществ является раздражимость живой системы на всех уровнях, которая выступает как фактор системности и целостности системы.

12.4.3. Клеточные мембраны

Мембраны могут менять свою проницаемость под воздействием химических и физических факторов, в том числе в результате деполяризации мембраны при прохождении электрического импульса через систему нейронов и воздействия на нее. Нейрон — это отрезок нервного волокна. Если на одном его конце действует раздражитель, то возникает электрический импульс. Его величина около 0,01 В для мышечных клеток человека, и он распространяется со скоростью порядка 4 м/с. Когда импульс доходит до синапса — соединения нейронов, которое можно рассмат-

339

ривать как своеобразное реле, передающее сигнал от одного нейрона на другой, то электрический импульс преобразуется в химический в результате выделения нейромедиаторов — специфических веществ—посредников. При попадании молекулы посредника в щель между нейронами нейромедиатор путем диффузии достигает конца щели и возбуждает следующий нейрон.

Однако нейрон реагирует только в том случае, если на его поверхности имеются особые молекулы — рецепторы, которые могут связывать лишь данный медиатор и не реагировать на другой, что происходит не только на мембране, но и в любом органе, например в мышце, вызывая ее сокращение. Сигналы-импульсы через синапсы могут тормозить или усиливать передачу возбуждения, и поэтому нейроны исполняют логические функции («и», «или»), что в известной мере и послужило Н. Винеру

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

204

основанием считать, что вычислительные процессы в мозге живого организма и в ЭВМ идут принципиально по одной и той же схеме. Тогда информационный подход позволяет единым образом описывать неживую и живую природу.

Процесс воздействия сигнала на мембрану заключается в изменении ее высокого электрического сопротивления, так как разность потенциалов на ней тоже около 0,01 В. Уменьшение сопротивления приводит к увеличению импульса электрического тока, и возбуждение передается дальше в виде нервного импульса, изменяя при этом возможность прохождения через мембрану определенных ионов. Таким образом, информация в организме может передаваться в сочетании — химическим и физическим механизмами, и это обеспечивает надежность и многообразие каналов ее передачи и переработки в живой системе.

Внутриклеточные мембраны за счет своей гибкости могут поглощать и выделять наружу отдельные ионы, молекулы и конгломераты из многих молекул. Отдельные части мембраны образуют выступы, которые обволакивают частицы, и они оказываются внутри. Этот процесс называют эндоцитозом. При экоцитозе эти выступы «выпихивают» частицы за пределы клетки. Все вещества, попавшие в клетку, растворяются в цитоплазме через пищеварительные вакуоли и перерабатываются с помощью лизосом.

С процессами клеточного дыхания, когда в митохондриях клетки образуются молекулы АТФ, обеспечивая ее необходимой энергией, тесно связаны и процессы обычного дыхания живого организма, для которого требуется кислород, получаемый в результате фотосинтеза.

340

12.4.4. Фотосинтез

Фотосинтез — это процесс запасания солнечной энергии путем образования новых связей в молекулах синтезируемых веществ. Исходными веществами для фотосинтеза являются вода и диоксид углерода. Из этих простых неорганических соединений образуются более сложные, богатые энергией питательные вещества. В качестве побочного, но очень важного продукта образуется молекулярный кислород. Согласно реакции:

Эта реакция идет за счет поглощения квантов света (hv) и при условии присутствия пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах.

В результате получается одна молекула глюкозы C6H12O6 и шесть молекул кислорода. Процесс идет постадийно; сначала на стадии фотолиза при расщеплении воды образуются водород и кислород, а затем водород, соединяясь с углекислым газом, образует углевод — глюкозу С6 Н12 Об.

Фотосинтез — преобразование энергии излучения Солнца в энергию химических связей возникающих органических веществ.

Фотосинтез, производящий на свету кислород, является тем биологическим процессом, который обеспечивает живые организмы свободной энергией. Процесс обычного дыхания как процесс обмена веществ в организме, связанный с потреблением кислорода, является обратным процессу фотосинтеза. Оба эти процесса могут идти по следующей цепочке:

Конечные продукты дыхания служат исходными соединениями для фотосинтеза. Процессы фотосинтеза и дыхания участвуют в круговороте веществ в природе. Часть солнечного излучения поглощается растениями и некоторыми организмами, кото-

341

рые являются автотрофами, т.е. самопитающимися (питание для них — солнечный свет). В результате процесса фотосинтеза автотрофы связывают углекислый газ атмосферы и воду, образуя до 150 млрд тонн органических веществ, усваивая до 300

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.