1.5. Обмін речовин та енергії як основа

ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ОРГАНІЗМУ.

Для підтримання ГОМЕОСТАЗУ (стану динамічної рівноваги внутрішнього середовища) організму постійно потрібна енергія, яку він може отримати лише із зовнішнього середовища. Тому організми являють собою відкриті системи, що здійснюють постійний ОБМІН РЕЧОВИН та ЕНЕРГІЇ з навколишнім середовищем, який полягає у поглинанні рідких і твердих речовин (ТРАВЛЕННЯ), газообміні (ДИХАННЯ), транспорті сполук (ЦИРКУЛЯЦІЯ), їх хімічному перетворенні та виділенню з організму продуктів обміну речовин (ЕКСКРЕЦІЯ) (саме тому організму і потрібні всі вищезгадані системи органів). Під ОБМІНОМ РЕЧОВИН розуміють, таким чином, сукупність змін, які відбуваються з речовинами з моменту їхнього надходження до організму з навколишнього середовища до моменту утворення кінцевих продуктів розпаду і виведення їх з організму.

Усі процеси життєдіяльності організму (скорочення м’язів, травлення, дихання та інші) супроводжуються розпадом молекул органічних речовин. Тому цілком зрозуміло, що життя будь-якої клітини, органа і цілісного організму можливе лише за умов своєчасного і повного їхнього відновлення. Процеси, в результаті яких відбуваються утворення органічних речовин, необхідних для росту, відновлення клітин і забезпечення їхніх функцій називають АСИМІЛЯЦІЄЮ, або АНАБОЛІЗМОМ. Але ріст, відновлення структур та функціональна активність клітин може здійснюватись лише за допомогою енергії, яка утворюється під час процесів ДИСИМІЛЯЦІЇ, або КАТАБОЛІЗМУ – розщеплення органічних речовин на простіші сполуки. Саме тому обидва процеси – АСИМІЛЯЦІЯ та ДИСИМІЛЯЦІЯ – є двома взаємопов’язаними сторонами ОБМІНУ РЕЧОВИН.

Завдяки тому, що в природі діє ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ, згідно з яким енергія не виникає і не зникає, а лише перетворюється з одного виду на інші, найдосконалішим організмом є не той, який здатний найкращим чином реалізувати якусь одну функцію, а той, що може швидко перебудуватися у відповідності з умовами існування, які швидко змінюються. Тому головним принципом функціонування будь-якого організму є: ПОСИЛЕННЯ ОДНІЄЇ ФУНКЦІЇ ВЕДЕ ДО ПОСЛАБЛЕННЯ ІНШОЇ АБО ВСІХ ІНШИХ, УЗЯТИХ РАЗОМ. Таку взаємодію функцій слід вважати конкурентною, оскільки одна функція реалізується за рахунок інших. У більшості випадків тварини намагаються реалізувати таку стратегію, коли функції є взаємодоповнюючими (оптимальний варіант). Удосконалення організмів при цьому досягається за рахунок об’єднання багатьох можливостей, а не використанням однієї, удосконаленої нехай навіть й на самому високому рівні.

Всі функції організму можна поділити на:

1. ті, що забезпечують життєдіяльність самого організму (тобто функціонування всіх органів і систем);

2. ті, що забезпечують відтворення організму (тобто пов’язаних з розмноженням).

1.6. Будова тваринної клітини

Уважне вивчення будь-якої тварини показує, що всі вони (так як і рослини) складаються мікроскопічних комірок організованого життя, які називають КЛІТИНАМИ. Звичайно розміри цих клітин не перевищують декількох мікронів (1мкм = 10^-6 м), а мембрани, які їх оточують настільки тонкі, що побачити їх можна лише у найбільш сильний світловий мікроскоп. Хотілося б також нагадати, що багато живих організмів (бактерії, наприклад) складаються лише з однієї клітини (а віруси - лише з частини клітини). Однак більшість тваринних організмів складається з тисяч, а то й мільйонів клітин, які об’єднані у десятки і сотні чітко визначених типів. Тому самостійно, поза межами організму, частиною якого вони є, існувати вони не можуть. Лише діючи разом, у взаємозв’язку з іншими клітинами, вони дозволяють тварині робити те, що неможливо для дуже просто побудованої колонії бактерій.

Як же побудована клітина тваринного організму і у чому її відмінність від клітин рослин?

За формою клітини тварин дуже різноманітні. Це обумовлено їх пристосуванням до виконання специфічних функцій у різних тканинах і органах. Форма клітин більш менш постійна і характерна для кожного типу. Прикладом можуть слугувати епітеліальні або нервові клітини, одноклітинні тварини інфузорії. Деякі ж клітини, як, наприклад, амеба, мають мінливу форму.

Так як і рослинні клітини, клітини тварин відокремлені від зовнішнього середовища ПЛАЗМАТИЧНОЮ МЕМБРАНОЮ і містять ЯДРО і ЦИТОПЛАЗМУ (мал. 1). Цитоплазма складається з основної речовини (ГІАЛОПЛАЗМИ), ОРГАНОЇДІВ та ВКЛЮЧЕНЬ. Останні являють собою продукти життєдіяльності клітини - крапельки жиру, глікогену (тваринного крохмалю), білкові кристали, пігменти тощо. Включення тимчасово не беруть участь у активному клітинному метаболізмі і є резервними речовинами. Органоїди ж присутні практично у всіх клітинах і виконують важливі специфічні функції у обміні речовин та енергії. Для них характерна певна структура.

МЕМБРАНИ. Кожна клітина відокремлена від середовища ПЛАЗМАТИЧНОЮ МЕМБРАНОЮ, завтовшки 7-10 нанометрів. Але на відміну від рослинних клітин у тваринних клітин немає захисного слою - целюлозної клітинної стінки, яка виділяється зовнішньою поверхнею мембрани клітин рослин. Розглянути більш детально будову клітинної мембрани дозволяє лише електронний мікроскоп. На електронно-мікроскопічних фотографіях ці мембрани мають вид трьохполосних стрічок. Як показали подальші дослідження зовнішні шари цього “пирога” складаються з білкових молекул, а середній - з молекул жиру. І хоча хімічна і фізична природа мембран вивчена ще не повністю, можна вважати, що всі плазматичні мембрани живих клітин побудовані однаково.

Функції цих клітинних мембран різноманітні. Перш за все, мембрани є живою оболонкою, що відділяє внутрішнє середовище клітини від зовнішнього середовища. В той же час, мембрани мають властивості вибіркової проникності, тобто здатності пропускати через себе одні речовини і затримувати інші. Мембрани є живим насосом, який накачує до клітини чи відкачує з клітини деякі фізіологічно важливі речовини. Мембрани - це й своєрідна біоенергетична “фабрика”, яка перетворює, запасає і витрачає енергію. Накінець, мембрани - це дуже чутливий приймальник і перетворювач світлових, звукових, механічних та хімічних сигналів, які поступають із зовнішнього середовища. Практично мембрани беруть участь у любих біологічних процесах, що протікають у клітинах.

ЦИТОПЛАЗМА. Як було вже зазначено вище, цитоплазма складається з основної речовини (гіалоплазми), органоїдів та включень). Гіалоплазма, що утворює напіврідке внутрішнє середовище клітини, включає в себе неорганічні і органічні сполуки. З неорганічних сполук слід, перш за все, відмітити воду, яка складає в середньому до 60-70 % від маси клітини. Крім води у гіалоплазмі присутні різні іони (К⁺, Na⁺, Ca²⁺ і багато інших). Органічні сполуки у гіалоплазмі представлені жирами, вуглеводами та білками. З останніх утворюються мікротрубочки та мікрофібрили, які складають ЦИТОСКЕЛЕТ клітини. Розташовуючись певним чином у гіалоплазмі, вони допомагають клітині зберігати свою форму і пересуватись (що притаманне одноклітинним організмам, а також лейкоцитам - білим клітинам крові).

ОРГАНОЇДИ ЦИТОПЛАЗМИ.

ЕНДОПЛАЗМАТИЧНА СІТКА. Клітини тварин мають більш менш широко розвинутою системою трубочок і цистерн, які відокремлені від цитоплазми плазматичними мембранами. Іноді окремі частини цієї системи відриваються від неї і виглядають окремими пухирцями. Вся оця система в цілому зветься ЕНДОПЛАЗМАТИЧНОЮ СІТКОЮ. Поверхня мембран ендоплазматичної сітки під електронним мікроскопом виглядає по-різному. Одні трубочки мають шершаву поверхню, а інші - гладеньку. Відповідно їх і називають шершавою (гранулярною) і гладенькою (агранулярною) ендоплазматичною сіткою. Один тип сітки може переходити в інший. Різниця у зовнішньому вигляді двох типів ендоплазматичних трубочок обумовлена тим, що елементарні мембрани шершавої сітки вкриті РИБОСОМАМИ. На рибосомах відбувається синтез (утворення) білків, які необхідні клітині. Це одна з найбільш важливих функцій ендоплазматичної сітки. Тут можуть синтезуватися і жири. Крім того, ендоплазматична сітка слугує місцем зберігання, концентрації і переносу продуктів синтезу, які утворились на її мембранах.

Особлива частина ендоплазматичної сітки утворює так званий АПАРАТ ГОЛЬДЖІ, який утворений гладенькими мембранами. Під мікроскопом він має вигляд стопки дископодібних цистерн. Тут утворюються вуглеводи.

Необхідно відмітити, що ендоплазматична сітка нерідко утворює загальну цистерну, яка оточує ядро клітини, а з іншого боку підходить до периферійної мембрани клітини. В результаті цього об’єднуються не тільки виробництво, а й транспорт (перенос) різних речовин по всій клітині.

ЛІЗОСОМИ. Це органоїди клітини, які оточені елементарною мембраною і містять в собі різні ферменти, тобто спеціальні білки, що розщеплюють інші білки, а також жири, вуглеводи і інші речовини. Вони відіграють важливу роль у процесі внутрішньоклітинного перетравлення. У живій цілісній клітині мембрани лізосом перешкоджають виходу ферментів до цитоплазми і зберігають клітину від самоперетравлення. У відмираючої клітини або при розриві мембран ферменти вивільняються і руйнують клітину. Цим, почасти, пояснюється перетравлювання мертвих і відмираючих клітин, а також розсмоктування клітин, яке відбувається під час метаморфозу у хвості пуголовка, наприклад.

МІТИХОНДРІЇ. Їх містять всі живі клітини одноклітинних і багатоклітинних тваринних організмів. Вони можуть мати кулясту, паличкоподібну або ниткоподібну форму, і також вкриті мембраною. Але на відміну від інших органоїдів цитоплазми мембран в них дві : поверхнева - гладенька, і внутрішня - з чисельними зморшками і виступами, які звуться КРІСТАМИ. Ці органоїди рухливі і накопичуються в тих частинах клітини, де це більш необхідно. Кількість їх у клітині може змінюватись - від декількох десятків до декількох тисяч.

Мітохондрії є “електростанціями” клітини, тобто головними центрами, де потенційна енергія поживних речовин перетворюється в таку необхідну кожній клітині ЕНЕРГІЮ, без якої неможлива нормальна життєдіяльність любої живої клітини.

ЯДРО. Його містить кожна клітина тваринного організму. Нерідко в клітині може бути два, а то й більше ядер. Ядро, так як і мітохондрії, оточене двома елементарними мембранами (зовнішньою і внутрішньою) з чисельними порами. Кожна пора є тими “воротами”, через які проходить вихід і вхід різних речовин до ядра. Зовнішня ядерна мембрана з зовнішньої сторони вкрита рибосомами. Всередині ядра знаходиться ядерний сік - КАРІОПЛАЗМА, в якому розташовані ЯДЕРЦЯ (їх може бути декілька) і ХРОМОСОМИ (тільця, що здатні забарвлюватись і які містять одиниці спадковості - ГЕНИ). Кількість хромосом у ядрі любого виду тварин завжди постійна.

Щоб з’ясувати роль ядра в житті клітини, його можна видалити й поспостерігати, як буде вести себе без’ядерна клітина. Така операція була проведена на амебі. Тварина, що була позбавлена ядра, продовжувала жити і рухатись, але ріст її припинявся і через декілька днів наступала загибель. Таким чином, ядро вкрай необхідно для росту і поділу клітин. Ядро контролює активність інших компонентів клітини, від яких залежить структура та функції всієї клітини.

В цитоплазмі тваринної клітини, як ви вже могли помітити, немає таких органоїдів, як ВАКУОЛІ і ПЛАСТИДИ. Наявність цих двох органоїдів та клітинної оболонки і відрізняє РОСЛИННУ клітину від ТВАРИННОЇ. В усьому іншому вони дуже схожі. І так же, як життєдіяльність рослинної клітини лежить в основі існування любого рослинного організму, життєдіяльність тваринної клітини лежить в основі цілого тваринного організму.