Клетка как «элементарная частица» молекулярной биологии

Таким образом, клетка является открытой термодинамической системой, осуществляя 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 как раз и 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 в то же время выступает как фактор системности и целостности системы.

 

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. Величина его 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 рассматривать как своеобразное реле, передающее сигнал от одного нейрона на другой, то электрический импульс преобразуется в химический с помощью выделения нейромедиаторов - специфических веществ-посредников. Когда молекулы такого посредника попадают в щель между нейронами, то 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. Это происходит не только на мембране, но и в любом органе, например мышце, вызывая ее сокращение. Сигналы-импульсы через синапсы могут тормозить или усиливать передачу других, и поэтому нейроны исполняют логические функции («и», «или»), что в известной мере и послужило Н.Н. Винеру основанием считать, что вычислительные процессы в мозгу живого организма и в ЭВМ идут принципиально по одной и той же схеме.( Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. - Наука; Главная редакция изданий для зарубежных стран, 1983. - 257 с.)Тогда информационный подход позволяет единым образом описывать неживую и живую природу.

Сам процесс воздействия сигнала на мембрану заключается в изменении ее высокого электрического сопротивления, так как разность потенциалов на ней тоже порядка 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 могут поглощать и выделять наружу не только отдельные ионы и молекулы, но и конгломераты из многих молекул за счет своей гибкости. Отдельные части мембраны образуют выступы, которые обволакивают частицы и они оказываются внутри. Этот процесс называют эндоцитозом, в другом случае - экоцитоза - «выпихивают» их за пределы мембраны. 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 аденозинтрифосфат, обеспечивая ее необходимой энергией, тесно связаны и процессы обычного дыхания живого организма, для которого требуется кислород, получаемый в результате фотосинтеза. По существу, это те материальные и энергетические компоненты, которые необходимы живому организму. Фотосинтез - это процесс запасания солнечной энергии путем образования новых связей в молекулах синтезируемых веществ. Исходными веществами для фотосинтеза являются вода  и двуокись углерода . Из этих простых неорганических соединений образуются более сложные богатые энергией питательные вещества. В качестве побочного, но очень важного для нас продукта образуется молекулярный кислород. Примером может служить реакция, которая идет за счет поглощения квантов света и присутствия пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах.

В результате получается одна молекула сахара  и шесть молекул кислорода. Процесс идет постадийно, сначала на стадии фотолиза образуются путем расщепления воды углерод и кислород, а затем водород, соединяясь с углекислым газом, образует углевод - сахар . По существу, фотосинтез - преобразование лучистой энергии Солнца в энергию химических связей возникающих органических веществ. Таким образом, 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. Конечные продукты дыхания служат исходными для фотосинтеза.

Тем самым процессы фотосинтеза и дыхания участвуют в круговороте веществ в природе. Часть солнечного излучения поглощается растениями и некоторыми организмами, которые, как мы уже знаем, являются автотрофами, т.е. самопитающимися (питание для них - солнечный свет). В результате процесса фотосинтеза автотрофы связывают углекислый газ атмосферы и воду, образуя таким образом, как мы упоминали, до 150 млрд. тонн органических веществ, усваивая до 300 млрд. тонн, и выделяют около 200 млрд. тонн свободного кислорода ежегодно.

Полученные органические вещества употребляются в качестве пищи человеком и травоядными животными, которыми, в свою очередь, питаются другие гетеротрофы. Растительные и животные остатки затем разлагаются до простых неорганических веществ, которые снова могут участвовать в виде  и  в фотосинтезе. Часть получающейся энергии, в том числе запасенной в виде ископаемого энергетического топлива, идет на потребление ее живыми организмами, часть бесполезно рассеивается в окружающую среду. Поэтому процесс фотосинтеза благодаря возможности обеспечения им необходимой энергии и кислорода является на определенном этапе развития биосферы Земли катализатором эволюции живого.

Строением и изучением клеток биологи занимаются уже более 150 лет, начиная с М.Я.Шлейдена, Т.Шванна, Пуриме и Р.Вирхова, который в 1855 г. установил механизм роста клеток путем их деления. Было установлено, что каждый организм развивается из одной клетки, которая начинает делиться и в результате этого образуется множество клеток, заметно отличающихся друг от друга. Но поскольку изначально развитие организма началось от деления первой клетки, то на одном из этапов нашего жизненного цикла мы сохраняем сходство с очень отдаленным одноклеточным предком и можно в шутку сказать, что мы скорее произошли от амебы, чем от обезьяны.

Из клеток формируются органы, и у системы клеток появляются такие качества, которых нет у составляющих ее элементов, т.е. отдельных клеток. Эти отличия обусловлены набором белков, синтезируемых данной клеткой. Бывают клетки мышечные, нервные, кровяные (эритроциты), эпителиальные и другие в зависимости от своей функциональности. Дифференцировка клеток происходит постепенно в процессе развития организма. В процессе деления клеток, их жизни и гибели в течение всей жизни организма происходит непрерывная замена клеток.

          Ни одна молекула в нашем теле не остается неизменной дольше нескольких недель или месяцев. За это время молекулы синтезируются, выполняют свою роль в жизни клетки, разрушаются и заменяются другими, более или менее идентичными молекулами. Самое удивительное, что живые организмы в целом значительно более постоянны, чем составляющие их молекулы, и строение клеток и всего тела, состоящего из этих клеток, остается в этом безостановочном круговороте неизменным, несмотря на замену отдельных компонентов.

Причем это не замена отдельных деталей автомобиля, а, как образно сравнивает С.С. Роуз , тело с кирпичной постройкой, «из которой сумасшедший каменщик непрерывно ночью и днем вынимает один кирпич за другим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, а материал постоянно заменяется». ( Роуз С. Устройство памяти. От молекул к сознанию: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995. - 82 с.)Мы рождаемся с одними нейронами и клетками, а умираем с другими. Примером является сознание, понимание и восприятие ребенка и старого человека. Во всех клетках имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного организма. Хранение и передача наследственной информации осуществляются с помощью клеточного ядра.

В клетке каждого типа синтезируются только те белки, которые ей нужны. Многие гены в клетке не работают, только часть из них участвует в синтезе соответствующих белков. По современным представлениям клеточной биологии, только 3% молекул Дезоксирибонуклеиновая кислота участвует, так сказать, в «программном обеспечении» построения белков, а 97% не являются источниками информации, а выполняют роль матричной копировальной машины. По образному выражению молекулярного биолога Репин В.С.В.С. Репина, «вся биологическая информация разбросана крошечными островками смысла, вкрапленными в океаны бессмыслицы и информационной пустоты материнских и отцовских хромосом».

В мире белков клетка работает как архитектор, создавая по двумерным чертежам трехмерные объемные конструкции. В этом смысле плазматическую мембрану клеток можно сравнить с клавиатурой рояля или дисплеем ЭВМ, которые сортируют всю поступающую информацию от случайных сигналов для принятия решений. Мембрана выступает в качестве своеобразного биочипа. Если же продолжить сравнения, то саму клетку можно представить как высокоспециализированный завод, выпускающий биомолекулы по плану, выработанному природой в процессе эволюции фабрикой по производству жизни, где каждый элемент клетки имеет свое функциональное предназначение. Мембрана - это пропускные ворота, куда подается полуфабрикат, а вывозится «готовый продукт». Белки - ферменты, которые регулируют выполнение плана, выполняют роль заводоуправления. Главным технологом является ДНК, которая осуществляет через молекулы РНК план реализации технологии биосинтеза белков с участием ферментов и нуклеиновых кислот, следит за технологическими параметрами водной среды клеток, температурой, давлением, электрическим потенциалом. А самоорганизация выступает в роли сбалансированного общего технологического процесса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Жизнь любого организма поддерживается энергетическим потенциалом клеток и их взаимодействием, а благодаря процессам информации живая система сохраняет целостность и гармонию своих элементов в процессе своей жизнедеятельности. Кроме того, клетки как элементарные самоорганизующиеся системы функционируют по принципу достижения оптимальных результатов в условиях жизнедеятельности. Механизмы целесообразного саморегулирования жизнедеятельности клетки формируются в процессе ее развития и изменяются под влиянием более высоких уровней.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.Бочкарев А.И, Концепции современного естествознания. - Тольятти,  ТГУС, 2008. – 386 с.

2.Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. - Наука; Главная редакция изданий для зарубежных стран, 1983. - 344 с.

3.Кендрью Дж. Нить жизни. – Мир,1968.-128с

4.Роуз С. Устройство памяти. От молекул к сознанию: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995. - 384 с.