Как вы считаете, может ли клетка существовать без ядра? Ответ обоснуйте.
У прокариот кольцевая ДНК расположена непосредственно в цитоплазме и успешно выполняет свои функции. Однако строение и деятельность эукариотической клетки гораздо сложнее, чем прокариотической. В связи с этим эукариотам необходимо иметь значительно больше нуклеиновых кислот, которые удобнее локализовать в определенной зоне. Эту проблему решило появление ядерной оболочки и обособление клеточного ядра. Кроме того, ядерная оболочка защищает хроматин от химических и механических повреждений.
Может ли эукариотическая клетка существовать без ядра? В ядре хранится почти вся наследственная информация о структуре белков. Следовательно, без ядра клетка не может развиваться и гибнет. Тем не менее некоторые клетки многоклеточного организма (например, эритроциты человека) утрачивают ядро в ходе роста и специализации; к моменту потери ядра в них уже синтезирован весь необходимый набор белков. Скорость разрушения этих белков определяет срок жизни таких клеток (как правило, несколько недель).
Всем известно, что человек является эукариотом. Это значит, что все его клетки имеют органеллу, в которой заключена вся генетическая информация, - ядро. Однако существуют и исключения. Есть ли в организме человека безъядерные клетки и каково их значение для жизнедеятельности?
Безъядерные клетки человека
Их нельзя сравнивать с прокариотами, обладающими типичным строением. Что же это за безъядерные клетки? Ядра нет в клетках крови - эритроцитах. Вместо данной органеллы они содержат сложный химический комплекс веществ, позволяющий им выполнять важнейшие для организма функции. Кровяные пластинки - тромбоциты и лимфоциты - также безъядерные клетки. Ядра нет и в клетках, которые называют стволовыми. Все перечисленные структуры объединяет еще один признак. Поскольку в них отсутствует ядро, они не способны к размножению. Это значит, что безъядерные клетки, примеры которых были приведены, после выполнения своей функции гибнут, а новые образуются в специализированных органах.
Эритроциты
Именно они определяют цвет нашей крови. Безъядерные клетки крови эритроциты имеют необычную форму - двояковогнутого диска, которая значительно увеличивает их поверхность при относительно малых размерах. Зато количество их просто поражает: в 1 кв. мм крови их находится до 5 млн! В среднем эритроцит живет до четырех месяцев, после чего погибает и нейтрализуется в селезенке и печени. Новые клетки формируются каждую секунду в красном костном мозге.
Функции эритроцитов
Что же вместо ядра содержат эти безъядерные клетки? Называются эти вещества гем и глобин. Первое является железосодержащим. Оно не только окрашивает кровь в красный цвет, но и образует нестойкие соединения с кислородом и углекислым газом. Глобин представляет собой вещество белковой природы. В его крупную молекулу погружен гем, содержащий заряженный ион железа. По механизму действия эти клетки можно сравнить с маршрутным такси. В легких они присоединяют кислород. С током крови он разносится ко всем клеткам и высвобождается там. При участии кислорода происходит процесс окисления органических веществ с выделением определенного количества энергии, которую человек использует для осуществления жизнедеятельности. Освободившееся место тут же занимает углекислый газ, который движется в обратном направлении - в легкие, где выдыхается. Этот процесс является необходимым условием жизни. Если кислород не поступает к клеткам, происходит их постепенное отмирание. Это может быть опасным для жизни организма в целом.
Эритроциты выполняют еще одну важную функцию. На их мембранах находится белковый маркер, который называется резус-фактором. Этот показатель, как и группа крови, очень важен во время переливания крови, при беременности, донорстве и хирургических операциях. Его обязательно устанавливают, поскольку при несовместимости может произойти так называемый резус-конфликт. Он является защитной реакцией, но может привести к отторжению плода или органов.
Нерациональное питание, вредные привычки, загрязненный воздух могут вызвать разрушение эритроцитов. Вследствие этого возникает тяжелое заболевание, которое называется анемией, или малокровием. При этом человек чувствует головокружение, слабость, одышку, шум в ушах. Кислородная недостаточность негативно сказывается на физической и умственной деятельности человека. Особенно опасна она в период беременности. Если через пуповину к плоду поступает недостаточно кислорода, это может привести к серьезным нарушениям в его развитии.
Строение тромбоцитов
Безъядерные клетки тромбоциты еще называют кровяными пластинками. В неактивном состоянии они действительно имеют плоскую форму, напоминающую линзу. А вот при повреждении сосудов они набухают, округляются, образуют непостоянные выросты наружного слоя - псевдоподии. Тромбоциты образуются в красном костном мозге и живут недолго - до 10 дней, обезвреживаясь в селезенке.
Процесс образования тромба
Матрикс кровяных пластинок содержит фермент, который называется тромбопластином. При нарушении целостности сосудов он оказывается в плазме. Под его действием белок крови протромбин переходит в свою активную форму, в свою очередь, действуя на фибриноген. В результате это вещество переходит в нерастворимое состояние. Оно превращается в белок фибрин. Его нити тесно переплетаются и образуют тромб. Защитная реакция свертывания крови предотвращает кровопотери. Однако образование тромба внутри сосуда очень опасно. Это может привести к его разрыву и даже гибели организма. Нарушение процесса свертываемости называется гемофилией. Это наследственное заболевание характеризуется недостаточным количеством тромбоцитов и приводит к излишней потере крови.
Стволовые клетки
Эти безъядерные клетки называются стволовыми не зря. Они действительно являются основой для всех других. Их еще называют "генетически чистыми". Стволовые клетки находятся во всех тканях и органах, но больше всего их содержит костный мозг. Они способствуют восстановлению целостности там, где это необходимо. Стволовые превращаются в любые другие при их разрушении. Казалось бы, при наличии такого волшебного механизма человек должен жить вечно. Почему же этого не происходит? Все дело в том, что с возрастом интенсивность дифференциации стволовых клеток значительно уменьшается. Они уже неспособны восстановить разрушенные ткани. Но есть и еще одна опасность. Существует большая вероятность превращения стволовых клеток в раковые, что неминуемо приведет к гибели любой живой организм.
Безъядерные клетки: примеры и черты отличия
В природе безъядерные клетки встречаются достаточно часто. Например, прокариотическими являются сине-зеленые водоросли и бактерии. Но, в отличие от безъядерных клеток человека, они не гибнут после выполнения своей биологической роли. Дело в том, что прокариоты имеют генетический материал. Поэтому они способны к делению, которое происходит путем митоза. В результате образуются две генетические копии материнской клетки. прокариот представлена кольцевой молекулой ДНК, которая удваивается перед делением. Этот аналог ядра еще называют нуклеоидом. У растений безъядерными являются живые клетки -
Итак, безъядерные клетки человека неспособны к делению, поэтому они существуют непродолжительный промежуток времени до выполнения своей функции. После этого происходит их разрушение и внутриклеточное переваривание. К ним относятся форменные элементы (эритроциты), кровяные пластинки (тромбоциты) и стволовые клетки.
Джонн Бриггс (John Briggs) и Дарко Димитровски (Darko Dimitrovski) из университета Фрайбурга (Universität Freiburg) обосновали и рассчитали придуманный ими метод создания атомов без ядра. С развивающимися ныне технологиями такой «фокус» будет доступен экспериментаторам во вполне обозримом будущем.
Атом без ядра — это набор электронных оболочек, сохраняющих свою «форму» так, словно бы они всё ещё удерживаются ядром.
Создать такое странное образование возможно, если воздействовать на какой-либо атом чрезвычайно коротким и при этом очень мощным импульсом лазера, говорят учёные.
Правда, этот экзотический атом без ядра будет жить ничтожно короткое мгновение, но всё же — он будет реально существовать.
Бриггс и Димитровски посчитали, как будет работать их метод. Итак: лазер с импульсом длительностью примерно 10 аттосекунд (1 аттосекунда равна 10 -18 с), вроде того что был использован в этом необычном опыте, но только чрезвычайно мощный (а именно — 10 18 ватт), воздействует на атом. Период орбитального движения электронов в атоме заметно больше, чем длительность такого импульса. Так, к примеру, у водорода электрон «обегает» вокруг ядра за 24 аттосекунды.
Если сила электрического поля в луче будет больше, чем сила связи электронов с ядром, – вся электронная оболочка будет оторвана от ядра и аккуратно смещена в сторону.
Ключ к успеху тут — быстротечность импульса и правильная его частота, ведь «сбивание» электронных оболочек (всех их уровней сразу, если речь идёт об атоме, куда более сложном, нежели водород) должно произойти за счёт действия всего лишь одного полупериода электромагнитной волны использованного в опыте излучения.
Второй полупериод этой волны послужит для торможения полного волнового пакета в новом месте его расположения — на некотором расстоянии от ядра. Тут имеется в виду волновой пакет всех электронов атома, разумеется.
Поскольку импульс лазера столь короток, за время своего смещения в пространстве электроны, образно говоря, не успеют ничего «предпринять». Их волновая функция почти не претерпит искажений, да и разбежаться в стороны от действия сил Кулона электроны не успеют, поясняют изобретатели метода.
Разумеется, такой «атом» через очень краткий миг распадётся, но если зафиксировать приборами все разлетевшиеся электроны, можно будет потом в компьютере восстановить облик первоначального волнового пакета, то есть того самого атома без ядра — самостоятельно существующего электронного облака, воспроизводящего форму оболочек исходного атома.
Удивительно, но, по расчётам Джона и Дарко, «снять» с минимальным «повреждением» разом все электронные оболочки можно не только с лёгких, но и с тяжёлых атомов, и более того — подобный «трюк» можно проделать даже с молекулами. Понятно, чтобы осуществить такой опыт, нужно ещё создать очень мощный аттосекундный лазер.
И, надо сказать, техника постепенно подступается к этой задаче. Ведь уже существующие установки демонстрируют потрясающие вещи. Например, познакомьтесь с лазерами: выдавшим недавно самый яркий свет во Вселенной, обошедшим некоторые капризы квантовой физики, мощным рентгеновским , который взорвал объект наблюдения; а также с историями о том, как сверхкороткие лазерные импульсы позволили отснять молекулы , создать чёрный металл и поставить рекорд скорости нагрева в 10 18 градусов в секунду, а ещё — аккуратно
Вспомните!
Какие клетки не имеют ядер?
Прокариотические
В каких частях и органоидах клетки содержится ДНК?
Митохондрии
Пластиды
Нуклеоид (у прокариот)
Каковы функции ДНК?
Хранение и передача наследственной информации – располагается ДНК строго в ядре.
Молекула ДНК способна к самовоспроизведению путем удвоения. Под действием ферментов двойная спираль ДНК раскручивается, связи между азотистыми основаниями разрываются.
В ДНК заключена информация о первичной структуре всех белков, необходимых организму. Эта информация записана в линейной последовательности нуклеотидов.
Так как белки играют первостепенную роль в жизнедеятельности организма, участвуя в строении, развитии, обмене веществ, то можно утверждать, ДНК хранит информацию об организме.
Вопросы для повторения и задания
1. Опишите строение ядра эукариотической клетки.
Каждое клеточное ядро окружено ядерной оболочкой, содержит ядерный сок, хроматин и одно или несколько ядрышек. Ядерная оболочка. Эта оболочка отделяет содержимое ядра от цитоплазмы клетки и состоит из двух мембран, имеющих типичное для всех мембран строение. Наружная мембрана переходит непосредственно в эндоплазматическую сеть, образуя единую мембранную структуру клетки. Поверхность ядра пронизана порами, через которые осуществляется обмен различными материалами между ядром и цитоплазмой. Например, из ядра в цитоплазму выходят РНК и субъединицы рибосом, а в ядро поступают нуклеотиды, необходимые для сборки РНК, ферменты и другие вещества, обеспечивающие деятельность ядерных структур. Ядерный сок. Раствор белков, нуклеиновых кислот, углеводов, в котором происходят все внутриядерные процессы. Ядрышко. Место синтеза рибосомальной РНК (рРНК) и сборки отдельных субъединиц рибосом - важнейших органоидов клетки, обеспечивающих биосинтез белка. В ядре клетки находятся молекулы ДНК, которые содержат информацию о всех признаках организма. ДНК - это двухцепочечная спираль, состоящая из сотен тысяч мономеров - нуклеотидов.
2. Как вы считаете, может ли клетка существовать без ядра? Ответ обоснуйте.
Эритроциты, тромбоциты, например, ядра не имеют, хотя млекопитающие организмы состоят из эукариотических клеток. Значит, может, но со специальными функциями, как у эритроциов, отсутствие ядра должно быть оправдано.
3. Что такое ядрышко? Каковы его функции?
Место синтеза рибосомальной РНК (рРНК) и сборки отдельных субъединиц рибосом - важнейших органоидов клетки, обеспечивающих биосинтез белка.
4. Дайте характеристику хроматина. Если хроматин и хромосомы в химическом отношении представляют собой одно и то же, зачем были введены и используются два разных термина?
В ядре клетки находятся молекулы ДНК, которые содержат информацию о всех признаках организма. ДНК - это двухцепочечная спираль, состоящая из сотен тысяч мономеров - нуклеотидов. Молекулы ДНК огромны, например длина отдельных молекул ДНК, выделенных из клеток человека, достигает нескольких сантиметров, а общая длина ДНК в ядре соматической клетки составляет около 1 м. Ясно, что такие гигантские структуры должны быть как-то упакованы, чтобы не перепутаться в общем ядерном пространстве. Молекулы ДНК в ядрах эукариотических клеток всегда находятся в комплексе со специальными белками - гистонами, образуя так называемый хроматин. Именно гистоны обеспечивают структурированность и упаковку ДНК. В активно функционирующей клетке, в период между клеточными делениями, молекулы ДНК находятся в расплетённом деспирализованном состоянии, и увидеть их в световой микроскоп практически невозможно. В ядре клетки, готовящейся к делению, молекулы ДНК удваиваются, сильно спирализуются, укорачиваются и приобретают компактную форму, что делает их заметными. В таком компактном состоянии комплекс ДНК и белков называют хромосомами, т. е., по сути, в химическом отношении хроматин и хромосомы - это одно и то же.
5. Как соотносится число хромосом в соматических и половых клетках?
В соматических клетках (клетках тела) число хромосом обычно в два раза больше, чем в зрелых половых клетках. Это объясняется тем, что при оплодотворении половина хромосом приходит от материнского организма (в яйцеклетке) и половина от отцовского (в сперматозоиде), т. е. в ядре соматической клетки все хромосомы парные.
6. Что такое кариотип? Дайте определение.
Количество, размеры и форма хромосом уникальны для каждого вида. Совокупность всех признаков хромосомного набора, характерного для того или иного вида, называют кариотипом.
7. Какие хромосомы называют гомологичными?
Хромосомы каждой пары отличаются от других хромосом. Такие парные, одинаковые по форме и размеру хромосомы, несущие одинаковые гены, называют гомологичными. Одна из гомологичных хромосом является копией материнской хромосомы, а другая - копией отцовской.
8. Какой хромосомный набор называют гаплоидным; диплоидным?
Хромосомный набор, представленный парными хромосомами, называют двойным или диплоидным и обозначают 2n. Наличие диплоидного хромосомного набора у большинства высших организмов повышает надёжность функционирования генетического аппарата. Каждый ген, определяющий структуру того или иного белка, а в итоге влияющий на формирование того или иного признака, у таких организмов представлен в ядре каждой клетки в виде двух копий - отцовской и материнской. При образовании половых клеток от каждой пары гомологичных хромосом в яйцеклетку или сперматозоид попадает только одна хромосома, поэтому половые клетки содержат одинарный, или гаплоидный, набор хромосом (1n).
Подумайте! Вспомните!
1. Какие особенности строения ядра клетки обеспечивают транспорт веществ из ядра и обратно?
Поверхность ядра пронизана порами, через которые осуществляется обмен различными материалами между ядром и цитоплазмой. Например, из ядра в цитоплазму выходят РНК и субъединицы рибосом, а в ядро поступают нуклеотиды, необходимые для сборки РНК, ферменты и другие вещества, обеспечивающие деятельность ядерных структур.
2. Достаточно ли знать число хромосом в соматической клетке, чтобы определить, о каком виде организмов идёт речь?
Нет, недостаточно, нужно знать и другие признаки организма. Не существует зависимости между числом хромосом и уровнем организации данного вида: примитивные формы могут иметь большее число хромосом, чем высокоорганизованные, и наоборот. Например, у таких далёких видов, как прыткая ящерица и лисица, число хромосом одинаково и равно 38, у человека и ясеня - по 46 хромосом, у курицы 78, а у речного рака более 110!
3. Если вам известно, что в некой клетке в норме находится нечётное число хромосом, сможете ли вы однозначно определить, соматическая эта клетка или половая? А если чётное число хромосом? Докажите свою точку зрения.
Однозначно определить невозможно, не в каком виде ни в четном и в нечетном. Есть множество исключений. Полиплоидия – увеличение числа хромосом, возможно и нечетное – триплоиды. Полиплоиды распространены у растений. Полиплоиды стерильны, так как нарушено образование нечетного количества хромосом половых клеток. Например, геномные мутации человека, синдром Дауна, когда в геноме 47 хромосом.
Некоторые экзопланеты глазами художников
Ранее считалось, что каменистые планеты обязательно должны состоять из трех важнейших слоев — оболочки, мантии и ядра, содержащего расплав наиболее тяжелых элементов. Эта дифференциация, по мнению наиболее авторитетных теорий, появлялась уже на ранних стадиях их эволюции, когда наблюдались особенно столкновения с другими небесными телами, а на самих планетах шли мощные радиоактивные процессы. Все это раскаляло молодые планеты, и более тяжелые элементы оседали ближе к центру.
Впрочем, открытие планет далеко за пределами нашей Солнечной системы, которое весьма активно идет в последние годы, демонстрирует целую галерею весьма странных по нашим меркам миров. Имеется среди них и планета, состоящая из колоссального алмаза («Триллионы карат »), и планета, сумевшая выжить после поглощения красным гигантом («Воля к жизни »), и даже те, которые вообще, на взгляд астрономов, не должны были бы существовать («Экзотическая экзопланета »). А группа астронома Сары Сигер (Sara Seager) теоретически описала еще один весьма экзотический вариант — «безъядерные» каменистые планеты.
Такие экзопланеты в ходе своего развития дифференцируются на два слоя, не формируя ядра. Это, по мнению ученых, может случаться, если в ходе зарождения планеты она оказывается в слишком богатом водой окружении. Железо вступает с ней во взаимодействие, образуя оксид быстрее, чем успевает осесть ближе к центру планеты в чистом металлическом виде.
Заметим, что сегодняшние технологии не позволяют строго подтвердить на практике эти теоретические выкладки. Столь небольшие тела на таких огромных расстояниях разглядеть весьма трудно — не говоря уж о том, чтобы детально изучать их химический состав.
Но одно о подобных «безъядерных» телах можно сказать вполне определенно: на них вряд ли найдутся братья по разуму, да и вообще какая-нибудь жизнь (по крайней мере, в том виде, в котором мы привыкли ее представлять). Дело в том, что именно расплавленное ядро подобных Земле планет порождает вокруг них мощное магнитное поле, которое надежно оберегает живые организмы от целого ряда неприятностей — прежде всего, от потоков заряженных частиц, которым Солнце непрерывно бомбардирует окрестности. Такое воздействие может оказаться смертельно опасным, вызывая и свободнорадикальные реакции, и опасно высокий уровень мутагенности.
Кстати, группа Сары Сигер уже появлялась в наших сообщениях. Напомним, что именно эти ученые составили свой вариант сводной таблицы всех экзопланет: «