ОБМЕН МАТЕРИАЛАМИ МЕЖДУ КЛЕТКОЙ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Снаружи каждая клетка одета нежным эластичным покровом, который составляет неотъемлемый функциональный компонент клетки и называется плазматической мембра­ной. Эта мембрана играет чрезвычайно важную роль в регулировании состава клеточного со­держимого, так как через нее в клетку посту­пают все питательные вещества и выходят наружу все отходы или продукты секреции. Мембрана задерживает проникновение в клет­ку одних веществ и облегчает поступление дру­гих. Клетки почти всегда окружены водной средой; это может быть пресная или морская во­да (в случае простейших организмов), тканевый сок (высшие растения), плазма или внекле­точная жидкость (высшие животные).

Плазматическая мембрана действует так, как будто она пронизана ультрамикроскопи­ческими порами, через которые проходят опре­деленные вещества, причем величиной этих пор определяется максимальная величина способ­ных пройти через них молекул. Возможность прохождения вещества через мембрану зави­сит не только от величины молекул, но и от электрического заряда диффундирующей ча­стицы (если она им обладает), от присутствия и числа молекул воды, связанных с поверх­ностью этих частиц, и от растворимости частиц в липидах. Химическая и физическая природа мембраны выяснена еще не до конца, но, по-видимому, это трехслойная пленка толщиной около 12 нм. Наружный и внутренний слои, каждый толщиной около 3 нм, состоят из белка, а между ними лежит слой фосфолипидных молекул, имеющий толщину 60 нм.

Такого рода трехслойную структуру можно видеть на электронных микрофотографиях, по­лученных при высоком разрешении. Интересно, что все плазматические мембраны животных, растительных и бактериальных клеток, так же как и мембраны разнообразных внутриклеточ­ных органелл, имеют, видимо, сходное трех­слойное строение. Два слоя белка, разделенные слоем липида, так называемая элементарная мембрана, по-видимому, представляет собой широко распространенную основную единицу мембранной структуры.

У растений почти все клетки имеют, кроме того, толстую клеточную стенку, состоящую из целлюлозы и лежащую кнаружи от плазма­тической мембраны (у большинства животных клеток ее нет). Клеточная стенка во многих местах пронизана мельчайшими отверстиями, через которые протоплазма одной клетки соединяется с протоплазмой других, соседних с ней клеток; через эти отверстия вещества мо­гут переходить из одной клетки в другую. Плотные, прочные клеточные стенки создают опору телу растения.

Для того чтобы понять механизмы, лежащие в основе обмена материалами между клеткой и окружающей средой, мы должны прежде всего учитывать, что для всех молекул в жид­костях и газах характерна тенденция диффун­дировать, т. е. перемещаться во всех направле­ниях до тех пор, пока они не распределятся равномерно по всему доступному пространству. Диффузию можно определить как распростра­нение молекул из области их высокой концент­рации в область более низкой концентрации, обусловленное их тепловым движением (рис. 19). Скорость диффузии зависит от величины молекул и от температуры. Молекулы, из кото­рых построены все вещества, в том числе и твердые, находятся в постоянном движении. Основное различие между тремя состояниями вещества — твердым, жидким и газообраз­ным — определяется степенью свободы дви­жения молекул. Молекулы твердого тела упа­кованы сравнительно плотно, и силы притяже­ния между ними позволяют им совершать ко­лебания, но не допускают свободного передви­жения. В жидкости расстояния между молеку­лами несколько больше, межмолекулярные силы слабее и молекулы обладают значитель­ной свободой передвижения. Наконец, в га­зообразном веществе молекулы настолько уда­лены друг от друга, что межмолекулярные силы ничтожны и свободу движения моле­кул ограничивают только внешние препят­ствия.

Если исследовать каплю воды под микроско­пом, то движение молекул обнаружить не удастся, но если добавить к ней капельку туши (которая содержит мелкие частицы угля), то можно наблюдать непрерывное беспорядочное движение частиц угля. Каждая частица угля непрерывно подвергается ударам молекул воды, и толчки от этих ударов приводят эти частицы в движение. Такое движение мелких частиц называют броуновским движением по имени Роберта

Броуна — английского ботаника, который его впервые заметил, рассматривая под микроскопом пыльцевые зерна в капле воды. В процессе диффузии каждая молекула дви­жется по прямой линии, пока не столкнется с чем-нибудь, например с другой молекулой или со стенкой сосуда; тогда она отскакивает и на­чинает перемещаться в другом направлении. Молекулы продолжают двигаться и после того, как они равномерно распределились по всему доступному пространству; однако, в то время как одни молекулы переходят, например, слева направо, другие переходят справа налево, и равновесие сохраняется. Различные вещества (сколько бы их ни было), находящиеся в одном и том же растворе, диффундируют независимо друг от друга. Скорость движения отдельных молекул может достигать нескольких сот мет­ров в секунду, но каждая молекула до столкно­вения с другой, от которой она отскакивает, проходит лишь малую долю нанометра. Поэтому перемещение молекулы в каком-ни­будь одном направлении происходит очень медленно. В этом можно убедиться, положив на дно стеклянного цилиндра, наполненного во­дой, кусочек какой-нибудь краски. Через не­сколько дней можно заметить, что красящее вещество постепенно поднимается вверх, но пройдут месяцы, прежде чем краска равномер­но распределится по всему цилиндру. Таким образом, хотя диффузия на очень малые расстоя­ния происходит весьма быстро, для того чтобы пройти расстояние в несколько сантиметров, молекулам требуется много времени.

Этот факт имеет большое биологическое зна­чение, так как из него следует, что число мо­лекул кислорода или питательных веществ, ко­торые могут достигнуть организма путем одной только диффузии, весьма ограничено. Лишь очень небольшой организм, которому ежесе­кундно необходимо относительно небольшое число молекул питательных веществ или кисло­рода, может выжить, сидя на одном месте и до­жидаясь, когда эти молекулы дойдут до него путем диффузии. Более крупный организм дол­жен иметь возможность либо передвигаться с места на место, либо приводить в движение окружающую среду и таким путем доставлять себе нужные молекулы, либо, наконец, он может обитать в таком месте, где сама среда непре­рывно движется, например в реке или на морском побережье в зоне приливов. Крупные наземные растения — деревья и кустарники — разрешили эту проблему особым образом: у них имеется чрезвычайно сильно разветвленная корневая система, при помощи которой они по­лучают необходимые им вещества с большого участка окружающей среды.

Могут ли молекулы данного вещества проходить через ту или иную мембрану, зависит от ее структуры и от величины имеющихся в ней пор. Мембрану называют проницаемой, если через нее проходит любое вещество, непрони­цаемой — если она не пропускает ни одно ве­щество, избирательно проницаемой, или полу­проницаемой, — если через нее могут диффун­дировать некоторые, но не все вещества. Все клеточные мембраны (окружающие саму клет­ку, ядра, вакуоли и различные субклеточные структуры) обладают дифференциальной про­ницаемостью.

Диффузия растворенного вещества через по­лупроницаемую мембрану называется диализом. Для того чтобы продемонстрировать процесс диализа, можно взять мешочек из коллодия, целлофана или пергамента, наполнить его раст­вором сахара и поместить в сосуд с водой. Если поры мембраны не слишком мелки, то молекулы сахара будут проходить сквозь нее. Со временем концентрация сахара в воде, окружающей мешочек, станет равна концентрации его в ме­шочке. Диффузия молекул будет продолжать­ся и после этого, но концентрация изменяться не будет, так как диффузия в обоих направле­ниях будет происходить с одинаковой ско­ростью.

Но если взять мешочек с более мелкими пора­ми, с тем чтобы он был проницаем для молекул воды, но непроницаем для более крупных мо­лекул сахара, то наблюдается другое явление. Нальем в мешочек раствор сахара, снабдим ме­шочек пробкой с проходящей через нее стек­лянной трубкой и поместим его в сосуд с водой. Молекулы сахара не проходят че­рез мембрану и поэтому остаются внутри ме­шочка. Молекулы воды, однако, диффунди­руют через мембрану в раствор сахара. Жид­кость внутри мешочка содержит 5% сахара, а следовательно, лишь 95% воды. Жидкость же, окружающая мешочек снаружи, представляет собой чистую воду. Поэтому молекулы воды пе­реходят из области более высокой концентра­ции (100% — снаружи) в область более низкой концентрации (95% — внутри мешочка). Та­кая диффузия молекул воды или другого раст­ворителя через мембрану называется осмосом.

По мере того как происходит осмос, вода поднимается по стеклянной трубке. Если через мембраны пройдет такое количество воды, какое первоначально содержалось в ме­шочке, то раствор сахара окажется разбавлен­ным до соотношения 2,5% сахара: 97,5% во­ды, но концентрация воды снаружи все еще бу­дет выше, чем концентрация ее внутри, и осмос будет продолжаться. В конце концов уровень во­ды в стеклянной трубке поднимется настолько что давление, производимое водой в трубке, будет равно силе, заставляющей воду входить в ме­шочек. После этого изменение количества воды в мешочке прекратится; осмос через полупрони­цаемую мембрану будет продолжаться с одина­ковой скоростью в обоих направлениях.

Давление столба воды в трубке служит мерой осмотического давления раствора сахара. Ос­мотическое давление вызывается стремлением молекул воды пройти сквозь полупроницаемую мембрану и выравнять концентрацию воды по обе стороны мембраны. Более концентрирован­ный раствор сахара имел бы еще более высокое осмотическое давление и «насасывал» бы воду в трубку до более высокого уровня. При 10%-ной концентрации раствора сахара вода в трубке поднялась бы приблизительно вдвое выше, чем при 5%-ной.

Диализ и осмос — всего лишь две особые фор­мы диффузии. Диффузия — общий термин для обозначения движения молекул из области вы­сокой концентрации в область более низкой концентрации под действием тепловой энергии этих молекул. Диализом называется диффузия молекул растворенного вещества через полупроницаемую мембрану, а осмосом — диффузия через такую же мембрану молекул раствори­теля. В живых системах растворителем служит вода.

В жидком содержимом всякой живой клетки растворены соли, сахара и другие вещества, благодаря которым оно обладает известным осмотическим давлением. Если поместить клетку в жидкость с таким же осмотическим давлением, как и давление в клетке, вода не входит в клет­ку и не выходит из нее, а клетка соответствен­но не набухает и не съеживается; такую жид­кость называют изотонической или изоосмотической по отношению к внутриклеточной жид­кости. В норме плазма крови и все жидкости организма изотоничны; они содержат такое же количество растворенного материала, как и клетки.

Если концентрация растворенных веществ в окружающей жидкости выше, чем внутри клетки, то вода стремится выйти наружу и клетка съеживается. Такую жидкость назы­вают гипертонической по отношению к клетке. Если в жидкости меньше растворенного мате­риала, чем в клетке, ее называют гипотониче­ской; в этом случае вода стремится входить в клетку и вызывает ее набухание. 0,9%-ный раствор хлористого натрия (иногда называе­мый «физиологическим» раствором) изотоничен по отношению к клеткам человека. Эритроци­ты, помещенные в 0,6%-ный раствор хлористого натрия, набухают и лопаются (рис. 21), в 1,3%-ном растворе они сжимаются, а в 0,9%-ном растворе с ними не происходит ни того, ни другого.

Если клетку поместить в раствор, не изото­нический по отношению к ее содержимому, то она может иногда приспособиться к такой сре­де, изменяя содержание воды в своей протоп­лазме (набухая или сжимаясь) до тех пор, пока концентрация растворенных веществ в клетке и в окружающей среде не станет одинаковой. Многие клетки способны активно насасывать воду или некоторые растворенные вещества че­рез плазматическую мембрану и откачивать их наружу, в результате чего поддерживается ос­мотическое давление, отличное от осмотическо­го давления окружающей среды. У простейших, живущих в сильно гипотонической пресной во­де, выработались сократительные вакуоли, ко­торые вбирают в себя воду из протоплазмы и вы­водят ее наружу. Перед растениями, обитающи­ми в пресной воде, тоже встает проблема: как быть с водой, проникающей в клетки из окру­жающей гипотонической среды путем осмоса? Клетки растений не имеют сократительных вакуолей, чтобы «откачивать» воду, но зато прочная целлюлозная стенка клетки предох­раняет ее от чрезмерного набухания. По мере поступления в клетку воды в ней возникает внутреннее давление, называемое тургором, которое препятствует дальнейшему проникно­вению воды. Тургор вообще характерен для растительных клеток; именно он «поддержи­вает» тело растения. Когда тургорное давление в клетках понижается вследствие недостатка воды, цветок увядает.

Многие организмы, обитающие в море, об­ладают феноменальной способностью избира­тельно накапливать некоторые вещества из морской воды. Морские водоросли могут накап­ливать йод в таком количестве, что концентра­ция его в клетках становится в 2 миллиона раз выше, чем в окружающей среде. Примитивные хордовые — оболочники — способны накап­ливать ванадий, и концентрация этого элемен­та в их клетках может превышать его концент­рацию в морской воде тоже примерно в два миллиона раз. Перенос воды или растворенных веществ в клетку или из клетки против гра­диента концентрации представляет собой фи­зическую работу и требует затраты энергии. Клетка способна перемещать молекулы против градиента концентрации лишь пока она жива и пока в ней происходят метаболические про­цессы, доставляющие энергию. Если на клетку воздействовать каким-нибудь метаболическим ядом («отравляющим» обмен веществ), например цианистым калием, она утрачивает способность создавать и поддерживать разность концентра­ций по обе стороны плазматической мембраны.

КЛЕТОЧНОЕ ЯДРО

Каждая клетка содержит небольшую, обыч­но шаровидную или овальную органеллу, на­зываемую ядром. В одних клетках ядро зани­мает относительно постоянное положение и располагается примерно в центре клетки; в дру­гих оно свободно перемещается и может ока­заться почти в любом участке. Ядро играет важ­ную роль в регулировании протекающих в клет­ке процессов; оно содержит наследственные факторы, или гены, определяющие признаки данной клетки и всего организма, и прямо или косвенно регулирует многие стороны клеточной активности. Ядро отделено от окружающей ци­топлазмы ядерной мембраной, состоящей из двух элементарных мембран; ядерная мембра­на регулирует передвижение веществ из ядра в цитоплазму и обратно. В электронном мик­роскопе видно, что ядерная мембрана состоит из двух слоев и что в ней имеются поры (рис. 22), через которые содержимое ядра сообщается с цитоплазмой; возможно, что через эти поры проходят информационные макромо­лекулы. По-видимому, наружный из двух слоев ядерной мембраны без перерыва перехо­дит в мембраны эндоплазматической сети и комплекса Гольджи.

В ядре клетки, убитой путем фиксации в соответствующих химических веществах и окрашенной подходящими красителями, выяв­ляются различные структуры. В живой клет­ке их трудно увидеть с помощью обычного све­тового микроскопа, но они хорошо видны в фазово-контрастном микроскопе (рис. 3). В ка­риоплазме — полужидком основном веществе ядра — взвешено строго определенное число вытянутых нитевидных образований, называе­мых хромосомами; они состоят из ДНК и бел­ка и содержат единицы наследственности — гены. На окрашенном срезе (рис. 3) клетки в состоянии покоя (в период между делениями) хромосомы обычно неразличимы, а вместо них

Рис. 22.

А. Электронная микрофотография ядра и окружающей его эн­доплазматической сети; поры показаны стрелками (Х 20 000). Б. Часть того же препарата при большем увеличении (Х 50 000). 1 — ядрышко; 2 — поры; 3 — гликоген; 4 — рибосомы; 5 —эндоплазматическая сеть; е — митохондрия.

видна сеть из темных тяжей и зернышек, в со­вокупности называемых хроматином. Перед началом деления ядра эти тяжи уплотняются в компактные палочковидные хромосомы, ко­торые впоследствии строго поровну распреде­ляются между двумя дочерними клетками. Для каждого организма характерно строго опреде­ленное число хромосом, содержащееся в каждой из составляющих его клеток. У плодовой муш­ки (дрозофилы) 8 хромосом, у сорго их 10, у са­дового гороха 14, у кукурузы 20, у жабы 22, у томата 24, у вишни 32, у крысы 42, у челове­ка 46, у картофеля 48, у козы 60, а у утки 80. Приведенные цифры относятся к соматическим клеткам высших растений и животных, в ко­торых хромосома каждого типа представлена в двойном числе; клетку с двумя полными набо­рами хромосом называют диплоидной. Сперма­тозоиды и яйцеклетки, в которых каждая хро­мосома представлена лишь в единственном чис­ле (т. е. имеется один полный набор хромосом), называют гаплоидными клетками. Число хро­мосом в них вдвое меньше, чем в соматических клетках того же организма. При оплодотворе­нии яйцеклетки сперматозоидом два гаплоид­ных набора хромосом объединяются и таким об­разом восстанавливается их диплоидное число. В ядре имеется сферическое тельце, назы­ваемое ядрышком. В большинстве клеток яд­рышко чрезвычайно изменчиво: оно меняет свою форму и структуру, появляется и исче­зает. Ядро может содержать и несколько яд­рышек, но обычно клетки каждого вида живот­ных или растений содержат определенное чис­ло ядрышек. Ядрышки исчезают, когда клетка готовится к делению, а затем появляются вновь; они, по-видимому, участвуют в синтезе рибонуклеиновой кислоты, входящей в состав рибосом. Если ядрышко разрушить сфокуси­рованным пучком рентгеновских или ультра­фиолетовых лучей, то клеточное деление по­давляется. Если же подвергнуть облучению дру­гой участок ядра, не затрагивая ядрышко, то этого не происходит.

Для того чтобы выяснить роль ядра, можно удалить его из клетки и наблюдать последст­вия такой операции. Если с помощью микроиг­лы удалить ядро у одноклеточного животно­го — амебы, то клетка продолжает жить и дви­гаться, но не может расти и через несколько дней погибает. Следовательно, ядро необхо­димо для метаболических процессов (в первую очередь — для синтеза нуклеиновых кислот и белков), обеспечивающих рост и размножение клеток.

Можно возразить, что к гибели приводит не утрата ядра, а сама операция. Для того чтобы выяснить это, необходимо поставить опыт с контролем, т. е. подвергнуть две группы амеб одной и той же операции, с той разницей, что в одном случае ядро действительно удаляют, а в другом в амебу вводят микроиглу, передви­гают ее в клетке подобно тому, как это делает­ся при удалении ядра, и выводят, оставив ядро в клетке; это называется «мнимой» операцией. После такой процедуры амебы оправляются, растут и делятся; это показывает, что гибель амеб первой группы вызывалась не операцией как таковой, а именно удалением ядра.

Классическую серию опытов, доказывающих важную роль ядра в регуляции клеточного ро­ста, провел Геммерлинг на одноклеточном (неклеточном) растении Acetahularia mediter-тапеа. Эта морская водоросль, которая может достигать высоты 5 см, внешне несколько на­поминает гриб и имеет «корни» и «стебель», заканчивающийся вверху большой дисковидной «шляпкой». Все растение представляет со­бой одну-единственную клетку и содержит лишь одно ядро, находящееся у основания стебля. Геммерлинг установил, что если перерезать стебель, то нижняя часть остается живой, ре­генерирует шляпку и полностью оправляется после операции. Верхняя же часть, лишенная ядра, живет в течение некоторого времени, но в конце концов погибает, не будучи в состоянии восстановить нижнюю часть. Сле­довательно, ацетабулярии, так же как и амебе, ядро необходимо для метаболических процес­сов, лежащих в основе роста; регенерация — это, конечно, одна из форм роста. В последую­щих экспериментах Геммерлинг сначала перерезал стебель непосредственно над ядром, а затем вторично перерезал его чуть ниже шляпки. Изолирован­ный отрезок стебля, будучи снова помещен в морскую воду, частично или полностью восста­навливал шляпку. Казалось бы, это говорит о том, что ядро не является необходимым для регенерации; однако если Геммерлинг удалял и вторую шляпку, то третья шляпка уже не развивалась.

На основании таких экспериментов Геммер­линг заключил, что ядро вырабатывает какое-то вещество, необходимое для образования шляп­ки. Это вещество распространяется путем диф­фузии вверх по стеблю и стимулирует рост шляпки. В только что описанных опытах после перерезок 1 и 2 в стебле оставалось достаточно этого вещества, чтобы вызвать образование еще одной шляпки. Однако после того, как это ве­щество было израсходовано на образование одной новой шляпки, регенерация второй шляп­ки при отсутствии ядра оказалась уже невоз­можной.

У другого вида, Acetabularia crenulata, шляп­ка ветвистая, а не дисковидная. Если кусочек стебля этого вида (без ядра) пересадить на ниж­нюю часть стебля A. mediterranea (с ядром A. mediterranea), то на верхушке стебля обра­зуется новая шляпка, но форма ее определяет­ся не пересаженным кусочком стебля, а нижней частью, на которую он пересажен. Ядро благодаря содержащимся в нем генам до­ставляет специфическую информацию, опреде­ляющую форму регенерирующей шляпки, и его влияние оказывается сильнее тенденции пере­саженного кусочка стебля образовать шляпку, характерную для вида A. crenulata. Ядро мо­жет контролировать активность других частей клетки благодаря тому, что в его хромосомах закодированы «инструкции», необходимые для синтеза белков и других веществ, от которых зависят структурные особенности и функции клетки. Очевидно, всякий раз, когда клетка делится, весь этот набор инструкций удваи­вается и каждая из дочерних клеток получает по одному его экземпляру.