Российская экономическая академия им. Г. В. Плеханова. Кафедра физики

Концепции современного естествознания (Материалы для самостоятельной работы студентов)

Семинары: Тема 9. Живые клетки и вирусы(с. 41 – 42)

Клетки(своего рода «атомы жизни») – наименьшие структурные и функциональные единицы любого живого организма, реализующие все специфические процессы жизнедеятельности (обмен веществ, физико-химический гомеостаз и саморегуляция, различные виды движений, рост и развитие, размножение с проявлением наследственности и изменчивости) и сохраняющие при этом свою целостность и структуру. Могут существовать отдельно (одноклеточныеорганизмы), в видеколонийоднотипных клеток и образовывать биологическиетканииорганыразличной сложности умногоклеточныхорганизмов. Раздел биологии, изучающий клетки называетсяцитологией, а ткани –гистологией. Организм взрослого человека состоит из ~10¹⁴клеток, более чем двухсот различных типов, и четырех основных типов тканей:эпителий,соединительная,мышечная,нервная(к тканям относят такжекровьилимфу).

В середине XIXв. немецкий биолог и врач Р. Вирхов сформулировал важный биологический принцип «Omniscellulaexcellula» («Каждая клетка из клетки»), который отвергал возможность самозарождения жизни из неживого вещества, что было также доказано в опытах Л. Пастера. Однако современная биология на базе достижений молекулярной генетики ставит своей фундаментальной задачей создание человеком искусственной живой клетки, чем окончательно будет доказана гипотезаабиогенеза– однократного возникновения и дальнейшей эволюции жизни в естественных условиях Земли.

Клетки сильно различаются по форме, размерам, структуре, функциям и сложности и защищены биомембраной, состоящей из липидов и белков. Внутри клетки находитсяцитоплазма, различныеорганеллыи другие структурные образования, выполняющие различные функции. По массе клетки в среднем содержат: кислорода 65%, углерода 18%, водорода 10%, азота 3%, а также кальций, фосфор, сера, калий, натрий хлор и др. элементы (свыше 70); 75–85% массы клетки составляет вода, 10–20% – белки, 1–5% – жиры, 0,2–2% – углеводы, 1 – 2% – нуклеиновые кислоты, а также низкомолекулярные органические и неорганические соединения. В середине ХХ в. было установлено, что все клетки живых организмов можно разделить на две основные группы –прокариоты(доядерные) иэукариоты(с ядром, в котором сосредоточен в основном генетический материал –хромосомы, ДНК,гены).

Прокариоты– самые примитивные и самые древние организмы на Земле. Их клетки не имеют четко выде-ленного ядра, но содержатрибосомы(до 30 000) и кольцевые молекулы ДНК (плазмиды). Как правило, это микроскопические одноклеточные существа, но известны и колониальные формы. По современной система-тике к ним относятсяархеобактерии,настоящие бактерии,цианобактерии(по старой классификациисине-зеленые водоросли) ихлороксибактерии. Распространены повсеместно (в том числе и в других живых организмах) в огромных количествах, образуя значительную долю общей биомассы Земли и играя важную роль во многих процессах биосферы. Типичный представитель мира бактерий – кишечная палочка (Escherichia coli, или простоE. coli), проживающая в пищеварительном тракте многих видов животных и человека, прекрасная модель для генных опытов. Общее число известныхвидовбактерий составляет ~5000, но по расчетам это число примерно в 8 раз больше. Что же касаетсяособейпрокариотов, то их вообще трудно оценить. Напр., 1 грамм выделений млекопитающих может содержать многие миллионы бактерий. Размеры бактерий 1 – 5 мкм.

Эукариоты– одноклеточные или многоклеточные организмы, имеющие в отличие от прокариот обособлен-ное ядро. Размеры эукариот изменяются от 10 мкм до нескольких десятков метров (30 м у китообразных животных и 100 м у некоторых хвойных деревьев), их объем превышает объем прокариот в 1000 – 10000 раз.

Эукариоты содержат ядро,рибосомы,лизосомы,митохондрии, различныепластиды(хлоропласты,хромо-пласты,лейкопласты– в растительных клетках),комлексы Гольджи(диктиосомы),эндоплазматический ретикулум(сеть),вакуолии некоторые другие включения.

Считается, что первые эукариоты возникли на Земле 1,7 – 1,9 млрд. лет назад (в протерозое), по-видимому, в результатеэндосимбиоза(взаимовыгодного сожительства одних прокариот внутри других).

Размножениеживых организмов может бытьбесполымилиполовым.Бесполое размножение(в нем участвует один родитель) происходит в результатемитоза– процесса деления соматических клеток, содержащих двойной (диплоидный) набор хромосом, на две дочерних клетки, каждая из которых содержит тот же набор хромосом, что и материнская. Митоз лежит в основе и других процессов жизнедеятельности организмов: эмбрионального развития, роста, восстановления органов и тканей после повреждений. Бесполое размножение характерно для организмов многих видов: бактерий, водорослей, грибов, сосудистых растений, простейших, губок, кишечнополостных, мшанок и оболочников, также вирусов. Деление клетки начинается срепликации(илиредупликации) молекулы ДНК.

Половое размножениеначинается с оплодотворенной клетки (зиготы), которая образуется при слиянии (оплодотворении) двух половых клеток (гамет) – мужской и женской (у человека это сперматозоид и яйцеклетка), т. е. в половом размножении участвуют два родителя противоположных полов. В отличие от соматических клеток гаметы имеют половинный (гаплоидный) набор хромосом и образуются в результате особого типа двойного деления соматических клеток –мейоза, при котором из одной соматической клетки образуется 4 гаметы. У человека только одна пара хромосом определяет пол будущего организма, у женщин она содержит одинаковые половые хромосомы (ХХ), а у мужчин разные (XY). Половое размножение более выгодно для эволюции живых организмов, так как значительно увеличивает наследственную изменчивость потомства. Считается, что половое размножение возникло примерно 2,5 млрд. лет назад.

Вирусы– доклеточная форма жизни на границе живого и неживого, могут размножаться только внутри живых клеток, а вне их могут существовать длительное время и в «неживом» (кристаллическом) состоянии, но не способны к росту на питательных средах как бактерии и соматические клетки. Сходство с живыми организмами определяется не только способностью вирусов к размножению, но также их подверженность мутациям и действию естественного отбора (напр., могут стать устойчивыми к антибиотикам). Оказавшись в клетках, вирусы ведут себя какоблигатныевнутриклеточные паразиты, вызывая различные болезни организмов. Открыты в 1892 г. русским микробиологом Д. Ивановским, который установил, что возбудитель мозаичной болезни табака проходит через фильтры, не пропускающие бактерий; название им, означающее по-латыни «яд», дал в 1898 г. голландский микробиолог М. Бейеринк.

Размеры вирусов от 15 до 350 нм, т. е. самые крупные (напр., вирусы оспы) близки по размерам к бактериям, а самые мелкие (напр., возбудители полиомиелита и ящура) – к крупным белковым молекулам. Отдельный вирус (вирион), который можно наблюдать только в электронный микроскоп, имеет округлую, палочковид-ную или другую формы (напр., икосаэдр) и состоит из молекулы ДНК или РНК (содержащий генетический материал), окруженной белковой оболочкой –капсид(некоторые вирусы содержат также углеводы и жиры). Считается, что они возникли позже клеток.

Вирусы являются возбудителями многочисленных инфекционных болезней человека, животных, растений и даже бактерий (бактериофаги– пожиратели бактерий). У человека это оспа, гепатит, корь, краснуха, свинка, ОРЗ, грипп, бешенство, герпес, СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита, английская аббревиатураAIDS), рак, клещевой энцефалит, геморрагические лихорадки и др.; у домашних животных – бешенство, ящур, чума, оспа; у растений – рак картофеля, карликовость помидор, мозаика табака и т. д. В настоящее время известно около 5000 различных типов вирусов (хотя большинство из них пока не изучены), из них ~500 поражают человека и животных, 300 – растения.

Форма, размеры, внутреннее содержание и функционирование вирусов в клетках разнообразны и индиви-дуальны. Также вирусы демонстрируют такие способы хранения и передачи генетической информации, кото-рые не встречаются в живых организмах. Поэтому изучение вирусов имеет важное значение для понимания фундаментальных принципов организации живого, а разнообразие их свойств необходимо учитывать в про-филактике и при лечении вирусных заболеваний.

Основные стадии инфицирования вирусами клетки таковы: проникновение в клетку, синтез белков-фермен-тов, необходимых для воспроизводства элементов вируса, размножение и формирование вирионов, разруше-ние клетки или ее перерождение. По типу генетического материала (нуклеиновых кислот) и характеру раз-множения в клетке-хозяине все вирусы делят на семь основных групп: 1) вирус с двухцепочной ДНК (оспа, герпес) синтезирует (транскрибирует) мРНК и реплицирует вирусный геном с помощью своих и клеточных ферментов; 2) с одноцепочной ДНК вначале производит двухцепочную ДНК и далее действует, как и вирус предыдущей группы; 3) с двухцепочной ДНК (ретроидныевирусы, напр., гепатит) воспроизводит себя несколько иначе, чем вирусы 1-й группы; 4) с положительной мРНК (полимиелит, клещевой энцефалит, мозаика табака) вначале синтезирует вирусные белки-ферменты и затем воспроизводит сам себя; 5) с отрица-тельной (зеркальной копией) мРНК, напр., вирусы гриппа, бешенства и др., вводит в клетку свой фермент, который копирует вирусный геном с образованием положительной мРНК и далее как в предыдущей группе; 6) с двухцепочной РНК (напр.,ротавирусы, вызывающие расстройства кишечника) размножаются способом, близким к предыдущему; 7) с положительной мРНК и необычным ферментом – ревертазой (так называемыеретровирусы, в частности ВИЧ и возбудители злокачественных опухолей) вначале синтезирует свою ДНК и далее процесс идет по обычным схемам транскрипции и трансляции. Ретровирусы встраивают свою ДНК в ДНК клетки-хозяина и тем самым перерождают клетку, «заставляя» ее воспроизводить новые вирусы и в некоторых случаях делиться без ограничений.

ВИЧ-инфекция, илиСПИД, вызываемаявирусом иммунодефицита человека(ВИЧ), представляет собой одну из самых серьезных проблем цивилизации. Этот вирус особым образом связывается с клетками крови – лейкоцитами, отвечающими за иммунную защиту организма, что приводит к снижению их функциональной активности и неспособности организма противостоять любым инфекциями. Но СПИД поражает не только иммунную, но и нервную систему человека. Обнаружен впервые в США в 1981 г. (более 100 аналогичных случаев) и очень быстро принял характер глобальной эпидемии (пандемии). Характерные признаки: неожи-данное появление, быстрое распространение, связь со злокачественными опухолями, пневмонией, гемофи-лией, гомосексуализмом, венерическими болезнями, длительный скрытый период. Возбудитель (ВИЧ) открыт через 2 года и метод диагностики – через 2,5 года после первых публикаций. ВИЧ характеризуется сильной изменчивостью, которая во много раз выше, чем у вируса гриппа, а процесс транскрипции генома ВИЧ в тысячу раз быстрее, чем у клеточных геномов, что объясняет очень быстрое размножение этого вируса. Передается при половых контактах, использовании грязных игл при переливании крови и других инъекциях, при попадании любой биологической жидкости от ВИЧ-инфицированного на кожу и слизистые при наличии на них микротравм, от зараженной матери будущему ребенку.

***