Текст книги "Биология. Человек. 8 класс"

§ 7. Клеточное строение организма

1. Каково строение животной клетки?

2. Какую функцию выполняют хромосомы?

3. Как происходит деление клетки?

Внешняя и внутренняя среда организма. Внешней средой называют ту, в которой находится организм. Человек живёт в газообразной среде, но временно может находиться в воде, например во время купания.

Внутренней средой организма называют ту среду, которая находится внутри организма: она отделена от внешней среды оболочками тела (кожа, слизистые). В ней находятся все клетки тела. Она жидкая, имеет определённый солевой состав и постоянную температуру. Заметим, что содержимое пищеварительного канала, мочевыводящих и дыхательных путей к внутренней среде не относится. Лишь наружный ороговевший слой кожи, состоящий из отмерших клеток, и некоторые слизистые оболочки граничат с внешней средой. Они защищают более глубоколежащие клетки от воздействия внешних условий. Через внутреннюю среду клетки человеческого тела снабжаются всем необходимым, и через неё удаляются вещества, образующиеся в процессе их жизнедеятельности.

Рис. 12. Клетка под электронным микроскопом: 1 – цитоплазма; 2 – клеточная мембрана; 3 – ядро; 4 – ядрышко; 5 – ядерная оболочка; 6 – мембраны эндоплазматической сети; 7 – рибосомы; 8 – митохондрия; 9 – клеточный центр; 10 – лизосома

Строение клетки. По форме, строению и функциям клетки чрезвычайно разнообразны, но по структуре они сходны. Каждая клетка обособлена от других клеточной мембраной. Подавляющее число клеток имеют цитоплазму и ядро (рис. 12).

Строение и функции ядра. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой. В нём можно обнаружить ядрышко – место сборки рибосом, важнейших органоидов клетки.

В ядре находятся хромосомы, основа которых – молекулы ДНК. В этих молекулах закодирована вся наследственная информация организма.

Участки молекул ДНК, ответственные за синтез определённого белка, называют генами. В каждой хромосоме насчитывают сотни и тысячи генов. Под микроскопом хромосомы можно наблюдать только в период деления клеток: в другие периоды они не видны. Контролируя образование белков, гены управляют всей цепочкой сложных биохимических реакций в организме и тем самым определяют его признаки. В обычных клетках человека содержится по 46 хромосом, в половых клетках (яйцеклетках и сперматозоидах) по 23 хромосомы (половинный набор).

Наружная мембрана и органоиды клетки. Наружная клеточная мембрана легко проницаема для одних веществ и непроницаема для других. Такая избирательная проницаемость клеточной мембраны носит название полупроницаемости. Через клеточную мембрану клетка получает воду, питательные вещества, кислород, ионы, через неё удаляются продукты клеточного обмена. Клеточная мембрана обеспечивает также взаимодействие клетки с окружающей средой и с другими клетками. Постоянные клеточные структуры, каждая из которых выполняет свои особые функции, называют органоидами или органеллами. В клетке они играют ту же роль, что и органы в организме.

Рис. 13. Эндоплазматическая сеть – транспортная система клетки (микрофотография)

Пространство внутри клетки тоже разделено мембранами. Они образуют эндоплазматическую сеть – сеть канальцев, ёмкостей, полостей (рис. 13). Эндоплазматическая сеть – это своеобразная транспортная система, по которой вещества, синтезированные клеткой, перемещаются внутри клетки. Благодаря ей поддерживается двусторонняя связь между ядром и цитоплазмой, а также между различными органоидами клетки.

На мембранах эндоплазматической сети располагаются рибосомы, обеспечивающие биосинтез белков, специфичных для данной клетки. Состав и строение этих белков определены генами. В качестве посредника, передающего информацию о структуре белка от гена к рибосоме, выступает специальная молекула – информационная РНК.

Митохондрии участвуют в биологическом окислении веществ, за счёт которого освобождается и накапливается энергия, необходимая для жизнедеятельности клеток. Эти двухмембранные образования, едва видимые в оптический микроскоп, называют энергетическими станциями клетки (рис. 14).

Благодаря биологическому окислению сложные органические вещества распадаются, и выделяющаяся при этом энергия используется клетками для мышечного сокращения, выработки тепла, синтеза веществ, необходимых для формирования структур клетки.

Рядом с ядром в клетке расположен аппарат Гольджи, который представляет собой стопку плоских цистерн. Синтезированные в клетке вещества поступают в аппарат Гольджи, где претерпевают дальнейшие биохимические превращения, упаковываются в мембранные пузырьки и переносятся в те места клетки, где они необходимы, или транспортируются к клеточной мембране и выходят за пределы клетки. Кроме этого, аппарат Гольджи формирует лизосомы.

Рис. 14. Митохондрия – энергетическая станция клетки (микрофотография)

Лизосомы – это мелкие мембранные пузырьки, которые содержат биологически активные вещества – ферменты, необходимые для переваривания питательных веществ. Сложные молекулы, поступившие в клетку, расщепляются в лизосомах до более простых. Кроме того, лизосомы могут разрушать структуры самой клетки при их старении или в ходе эмбрионального развития, когда происходит замена тканей.

Обязательным органоидом животной клетки, а следовательно, и клетки человеческого тела является клеточный центр, состоящий из двух центриолей. Эти маленькие тельца цилиндрической формы расположены недалеко от ядра под прямым углом друг к другу. Клеточный центр играет важную роль в клеточном делении: от центриолей начинается рост веретена деления.

Связь между объёмом и поверхностью клетки. Размер клеток ограничен, поскольку с увеличением объёма и массы клетки относительная её поверхность уменьшается, и клетка уже не может получить нужного количества питательных веществ и выделить полностью продукты распада. Поэтому, достигнув определённого размера, она перестаёт увеличиваться в объёме.

Деление клетки – сложный процесс (рис. 15). При подготовке к делению каждая молекула ДНК удваивается. В результате в хромосоме оказывается рядом пара одинаковых молекул ДНК, которые потом станут самостоятельными хромосомами дочерних клеток.

Перед делением ядро разбухает и увеличивается в размерах. Хромосомы скручиваются в спираль и становятся различимыми в оптический микроскоп. Ядерная оболочка исчезает. Центриоли клеточного центра удваиваются, расходятся к противоположным полюсам клетки, и между ними формируются нити веретена деления.

В следующей фазе деления хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки. Парные молекулы ДНК каждой хромосомы прикрепляются к нитям веретена деления. Вскоре нити веретена деления начинают оттягивать парные молекулы ДНК к противоположным полюсам. Образуется два новых набора, состоящих из одинаковых хромосом и, следовательно, одинаковых генов. Хромосомы дочерних клеток образуют клубки. Вокруг них синтезируется ядерная оболочка, образуется ядро. Скрученные ранее в спираль хромосомы полностью раскручиваются и перестают быть видимыми. Одновременно с расхождением хромосом органоиды приблизительно равномерно распределяются по двум полюсам. Затем клеточная мембрана впячивается внутрь, и цитоплазма клетки делится путём перетяжки. Образуются две дочерние клетки.

Рис. 15. Деление клетки: 1 – клетка (между делениями) в состоянии покоя; 2, 3, 4 – образование видимых в оптический микроскоп хромосом, их расположение в экваториальной плоскости клетки; 5 – расхождение хромосом; 6 – образование двух дочерних ядер, начало деления цитоплазмы; 7 – образование двух дочерних клеток

Жизнедеятельность клетки. Каждая клетка в организме человека выполняет свою определённую работу. Несмотря на огромное разнообразие, для всех клеток характерны общие признаки.

Обмен веществ и энергии. Одно из главных свойств клетки – способность к обмену веществ и энергии. Из поступающих в клетку питательных веществ образуются сложные вещества (характерные для каждого типа клеток), формируются клеточные структуры. Параллельно с образованием новых веществ идут процессы биологического окисления органических веществ – белков, жиров, углеводов. При этом происходит выделение энергии, необходимой для жизнедеятельности клетки. В результате активной работы в живой клетке постоянно образуются отходы жизнедеятельности. Продукты распада удаляются из клетки, а затем и из организма.

Синтез и распад веществ происходят благодаря действию ферментов. Это биологические катализаторы белковой природы, ускоряющие во много раз течение химических процессов. Каждый фермент действует только на определённые соединения. Они называются субстратом данного фермента.

Ферменты вырабатываются и в растительных, и в животных клетках. Иногда их действия сходны. Так, фермент каталаза, находящийся в клетках стенки ротовой полости, мышцах, печени, способен расщеплять пероксид водорода – вредное соединение, образующееся в организме.

Проделаем опыт. Нальём в химический стакан пероксид водорода и опустим в него кусочки мелко нарезанного клубня картофеля. Жидкость вспенивается за счёт образования пузырьков кислорода: ядовитый пероксид водорода разлагается на безвредные кислород и воду.

Ферменты действуют как в клетках, так и вне клеток. При кипячении белки разрушаются, поэтому ферменты теряют активность. Выводят их из строя и некоторые химические вещества, например соли тяжёлых металлов. (Если сварить картофель, реакции разложения пероксида водорода не будет.)

Рост и развитие клетки. В процессе жизнедеятельности происходит рост и развитие клеток. Ростом называют увеличение размеров и массы клетки, а развитием клетки – её возрастные изменения, в том числе и достижение ею способности полностью выполнять свои функции. Например, для того чтобы костная клетка могла создавать твёрдое и прочное костное вещество, она должна созреть.

Покой и возбуждение клеток. Клетки могут находиться в состоянии покоя или в состоянии возбуждения.

При возбуждении клетка включается в работу и выполняет свои функции. Обычно переход к возбуждению связан с раздражением. Так, в ответ на раздражение нервная клетка генерирует нервные импульсы; мышечная клетка сокращается, а железистая – выделяет секрет.

Следовательно, раздражение – это процесс воздействия на клетку. Оно может быть механическим, электрическим, тепловым, химическим и т. д. В ответ на раздражение клетка из состояния покоя переходит в состояние возбуждения, то есть активной работы.

Способность клетки отвечать на раздражение специфической реакцией называют возбудимостью. Наибольшей возбудимостью обладают мышечные и нервные клетки.

КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА, ЯДРО, ЦИТОПЛАЗМА, ХРОМОСОМЫ, ГЕНЫ, ОРГАНОИДЫ, ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ, РИБОСОМЫ, МИТОХОНДРИИ, АППАРАТ ГОЛЬДЖИ, ЛИЗОСОМЫ, ЦЕНТРИОЛИ, ДЕЛЕНИЕ, ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ, РОСТ, РАЗВИТИЕ, ПОКОЙ, ВОЗБУЖДЕНИЕ.

Вопросы

1. Какие функции выполняет клеточная мембрана?

2. Каковы функции ядра и ядрышка?

3. Сколько хромосом имеют половые клетки человека – сперматозоид и яйцеклетка? Как вы думаете, почему число хромосом в половых клетках вдвое меньше, чем в клетках тела?

4. Назовите основные органоиды клетки.

5. Какие процессы жизнедеятельности характерны для большинства клеток человеческого организма?

6. Какие органоиды, характерные для клеток других организмов, отсутствуют в клетках человека? С чем связаны эти отличия?

7. Объясните, чем отличаются рост и развитие клеток.

Задания

1. Сравните внешнюю и внутреннюю среду организма человека. В чём их сходство и отличия?

2. В стиральные порошки иногда добавляют ферменты. Будут ли они действовать при кипячении белья и после него? Ответ поясните.

3. Составьте и заполните таблицу «Основные органоиды и структуры клетки: строение и функции».

§ 8. Ткани

1. Из какой ткани состоит кожа, стенки полости рта, ушные и носовые хрящи?

2. Можно ли ушную раковину считать тканью?

Образование тканей. В начале деления все клетки развивающегося зародыша одинаковы, но затем происходит их специализация. Некоторые из них выделяют межклеточное вещество. Группы клеток и межклеточное вещество, имеющие сходное строение и происхождение, выполняющие общие функции, называются тканями. Каждый орган состоит из нескольких тканей, но одна из них, как правило, преобладает.

В организме животных и человека выделяют четыре основные группы тканей: эпителиальные, соединительные, мышечные и нервные. В мышцах, например, преобладает мышечная ткань, но наряду с ней встречаются и соединительная, и нервная. Ткань может состоять как из одинаковых, так и из различных клеток.

Межклеточное вещество может быть однородным или может включать различные структурные образования, например, в виде пучков волокон, придающих тканям эластичность и упругость.

Эпителиальные (покровные) ткани (рис. 16) образуют наружные слои кожи (эпидермис), выстилают внутреннюю поверхность кровеносных сосудов, дыхательных путей, мочеточников. К эпителиальным тканям относится и железистая ткань, вырабатывающая различные секреты (пот, слюну, желудочный сок, сок поджелудочной железы).

Рис. 16. Эпителиальные ткани: А – плоский эпителий; Б – кубический эпителий; В – мерцательный эпителий; Г – цилиндрический эпителий, выстилающий канальца почки, в которых образуется вторичная моча

Многообразие функций привело к значительному разнообразию эпителиальных тканей. Однако все они имеют ряд общих свойств. Их клетки располагаются тесными рядами в один или несколько слоёв, имеют незначительное количество межклеточного вещества, могут слущиваться и заменяться новыми. Эпителиальные ткани обладают высокой способностью к регенерации (восстановлению). В связи с разнообразием функций строение клеток эпителиальных тканей различается. Так, мерцательный эпителий дыхательных путей имеет реснички, с помощью которых удаляется пыль, осевшая на влажную поверхность трахеи и бронхов. Эпителиальные клетки желудка способны накапливать секрет в цитоплазме. Затем они отторгаются, попадают в полость желудка и там разрушаются, высвобождая пищеварительные ферменты.

Соединительные ткани. Эти ткани обладают ещё большим разнообразием (рис. 17). К ним относятся опорные ткани – хрящевая и костная; жидкие ткани – кровь и лимфа, рыхлая волокнистая ткань, заполняющая пространство между органами, сопровождающая сосуды и нервы; жировая ткань; плотная волокнистая ткань, входящая в состав сухожилий и связок.

Рис. 17. Соединительные ткани: А – хрящ: 1 – неклеточное вещество; 2 – клетки; Б – кость: 1 – костные клетки; 2 – неклеточное вещество в форме пластинок (их ряды выстилают полости, в которых проходят сосуды и нервы; костные пластинки расположены в несколько рядов, радиально, по их периметру находятся клетки): В – жировая ткань: 1 – клетки; 2 – эластические волокна; Г – рыхлая соединительная ткань: 1 – клетки; 2 – коллагеновые волокна; 3 – эластические волокна

Все эти разнообразные ткани обладают высокой способностью к регенерации и имеют общую особенность – наличие хорошо развитого межклеточного вещества, определяющего механические свойства ткани. В костной ткани оно твёрдое и прочное, в хрящевой – прочное и эластичное. В крови оно жидкое, так как выполняет транспортную функцию.

Соединительная ткань встречается в оболочках органов, которым приходится сильно растягиваться: в матке, желудке, кровеносных сосудах и пр. Благодаря соединительной ткани кожа может смещаться относительно мышц и костей, к которым прикреплена.

В соединительной ткани есть клетки, способные бороться с микроорганизмами, а в случае поражения основной ткани какого-либо органа эта ткань способна заменить утраченные элементы. Так, образующиеся после ранений шрамы состоят из соединительной ткани. Правда, выполнять функции той ткани, которую соединительная ткань заменила, она не может.

Разновидности мышечной ткани. Существует три разновидности мышечной ткани: гладкая, поперечнополосатая скелетная (рис. 18) и поперечнополосатая сердечная. Общие свойства всех мышечных тканей – возбудимость и сократимость. В ответ на раздражение мышечная ткань сокращается. Благодаря сокращению осуществляются все движения человека и работа его внутренних органов.

Гладкая мышечная ткань состоит из веретеновидных клеток с одним палочковидным ядром. Эта ткань входит в состав стенок сосудов и внутренних органов, например желудка, кишечника, бронхов, то есть органов, работающих помимо нашей воли, автоматически. С помощью гладких мышц изменяются размеры зрачка, кривизна хрусталика глаза и т. д.

Гладкие мышцы сокращаются медленно, но могут очень долго находиться в состоянии сокращения.

Поперечнополосатая скелетная мышечная ткань образует скелетные мышцы, которые сокращаются произвольно, то есть по нашему желанию. Сокращение происходит в том случае, когда к мышце приходят электрические импульсы из соответствующих отделов нервной системы. Скелетные мышцы способны к быстрому сокращению, но длительно пребывать в сокращённом состоянии им сложно. Поперечнополосатая мышечная ткань состоит из длинных многоядерных волокон. Ядра мышечного волокна обычно располагаются под наружной мембраной. Среднюю часть мышечного волокна занимают сократительные нити – миофибриллы. Они состоят из чередующихся пластинок белков разной плотности (актина и миозина), поэтому в оптическом микроскопе кажутся исчерченными поперёк (поперечнополосатыми).

Рис. 18. Мышечные ткани: А – гладкая; Б – поперечнополосатая скелетная

Поперечнополосатая сердечная мышечная ткань тоже состоит из мышечных волокон, но они имеют ряд особенностей. Сердечные мышечные волокна представляют собой цепочку особых мышечных клеток – миоцитов. Эти клетки соединены между собой особыми контактами. Благодаря такому строению возбуждение, возникшее в одном месте, быстро охватывает всю мышечную ткань, участвующую в сокращении.

Нервная ткань. Эта ткань состоит из двух типов клеток: собственно нервных клеток – нейронов и вспомогательных клеток – нейроглии.

Особенность нейронов – высокая возбудимость и проводимость. Они получают сигналы из внешней и внутренней среды организма, проводят и перерабатывают их, что необходимо для управления работой органов. Нейроны собраны в очень сложные цепи, которые обеспечивают получение, переработку, хранение и использование информации (рис. 19).

Многочисленные клетки нейроглии, расположенные между нейронами, выполняют по отношению к ним обслуживающие функции: защитную и опорную, питательную и электроизолирующую. Заполняя пространство между нервными клетками, глиальные клетки предохраняют их от механических сотрясений. Другие глиальные клетки выполняют барьерную функцию, пропуская к нейронам из крови только строго определённые вещества.

Рис. 19. Нервные клетки (сеть нейронов) (микрофотография)

Нейрон состоит из тела и отростков (рис. 20). В теле нейрона находится ядро и основные клеточные органоиды. Отростки нейрона различаются по строению, форме и функциям.

Дендрит – отросток, передающий возбуждение к телу нейрона. Чаще всего у нейрона несколько коротких разветвлённых дендритов. Однако бывают нейроны, у которых имеется только один длинный дендрит.

Аксон – это длинный отросток, который передаёт информацию от тела нейрона к следующему нейрону или к рабочему органу. У каждого нейрона только один аксон. Аксон ветвится только на конце, образуя короткие веточки – терминали.

Длинные отростки нейронов, покрытые защитными оболочками, образуют нервные волокна.

Рис. 20. Строение нейрона: А – нейрон: 1 – ядро, находящееся в теле нейрона; 2 – дендриты; 3 – аксон; 4 – синапсы; 5 – волокна поперечнополосатой мышцы; Б – синапс (увеличен): 6 – окончание аксона нейрона, передающего информацию; 7 – клетка, воспринимающая информацию; 8 – пузырьки с биологически активным веществом; 9 – митохондрия

Места контактов между отдельными нейронами или между нейронами и управляемыми ими клетками называют синапсами (рис. 20, Б).

В расширенном окончании аксона в специальных пузырьках – везикулах находится биологически активное вещество из группы нейромедиаторов. Когда нервный импульс, распространяющийся по аксону, достигает его окончания, пузырьки приближаются к мембране, встраиваются в неё, и молекулы медиатора выбрасываются в синаптическую щель. Эти химические вещества действуют на мембрану другой клетки и таким способом передают информацию следующему нейрону или клетке управляемого органа. Нейромедиатор может активировать следующую клетку, вызвав в ней возбуждение. Однако существуют медиаторы, которые приводят к угнетению следующего нейрона. Этот процесс называют торможением. Возбуждение и торможение – это важнейшие процессы, происходящие в нервной системе. Именно благодаря сбалансированности этих двух противоположных процессов в каждый момент времени нервные импульсы могут возникать только в строго определённой группе нервных клеток. Наше внимание, способность сконцентрироваться на определённой деятельности возможны благодаря нейронам, которые отсекают избыточную информацию. Не будь их, наша нервная система очень быстро бы перегрузилась и не смогла нормально работать.

Воспринимающие информацию клетки обычно имеют много синапсов. Через одни из них они получают активирующие сигналы, через другие – тормозные. Все эти сигналы суммируются, после чего следует изменение работы.

По функциям все нейроны можно разделить на три группы: чувствительные, вставочные и исполнительные. Чувствительные нейроны – это нервные клетки, которые находятся «на входе» в нервную систему. Они воспринимают информацию из внешней и внутренней среды. «На выходе» из нервной системы расположены исполнительные нейроны. К этой группе относят двигательные нейроны, управляющие мышцами (гладкими и поперечнополосатыми), и секреторные, передающие нервные импульсы железам. Вставочные нейроны обрабатывают всю полученную информацию и обеспечивают связь между чувствительными и исполнительными нейронами.

ТКАНИ: ЭПИТЕЛИАЛЬНЫЕ, СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ, МЫШЕЧНЫЕ, НЕРВНАЯ; НЕЙРОНЫ, ДЕНДРИТЫ, АКСОН, НЕЙРОГЛИЯ, НЕРВНОЕ ВОЛОКНО, СИНАПС.

Вопросы

1. Что называют тканью?

2. Какие ткани вы знаете? Составьте и заполните схему «Многообразие тканей».

3. Чем соединительные ткани отличаются от эпителиальных?

4. Какие виды эпителиальной и соединительной ткани вы знаете?

5. Какими свойствами обладают клетки мышечной ткани – гладкой, скелетной, сердечной?

6. Какие функции выполняют клетки нейроглии?

7. Каково строение и свойства нейронов?

8. Сравните дендриты и аксоны. В чём их сходство и в чём принципиальные отличия?

9. Что такое синапс? Расскажите о принципах его работы.

Задания

1. Отыщите у себя или у своих знакомых на коже шрамы. Определите, из какой ткани они состоят. Объясните, почему они не загорают и отличаются по структуре от здоровых участков кожи.

2. Посмотрите под микроскопом образцы эпителиальных и соединительных тканей. С помощью рисунков 16 и 17 расскажите об их строении.

3. На рисунке 20 найдите тело нейрона, ядро, дендриты и аксон. Определите, в каком направлении по отросткам пойдут нервные импульсы, если клетка будет возбуждена.

4. Известно, что грудную и брюшную полости разделяет диафрагма, участвующая в дыхании. Из гладких или поперечнополосатых мышц она состоит? Задержите дыхание, сделайте произвольный вдох и выдох и ответьте на этот вопрос.

5. Существует множество классификаций нейронов. Некоторые из них вам уже известны. Используя дополнительные источники информации, предложите другие классификации, отличные от представленных в учебнике.