Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 13. Рослинна і тваринна клітини

Еукаріотичну організацію мають клітини тварин, рослин, грибів і найпростіших

У попередньому параграфі ми з’ясували, що, крім еукаріотичних клітин, є також прокаріотичні, позбавлені ядра та системи внутрішніх мембран. Еукаріотичну організацію мають клітини тварин, рослин, грибів і найпростіших (рис. 13.1). Однак представники цих груп дуже відрізняються одне від одного та ведуть різний спосіб життя. Їхні клітини, своєю чергою, теж мають характерні особливості. У попередніх параграфах ми розглянули будову тваринної клітини. Вона не вкрита клітинною стінкою, її форма може змінюватися, деякі клітини багатоклітинних тварин рухомі. Клітини тварин формують між собою різного роду контакти, що об’єднують їх у єдиний організм. Часто наявні органели руху, як-от джгутики чи війки.

Клітини вищих рослин мають свої особливості, зумовлені способом життя рослин, а саме нерухомість і здатність до фотосинтезу. Клітина рослини вкрита жорсткою клітинною стінкою, побудованою з полісахариду целюлози.

Рис. 13.1. Різні типи клітин багатоклітинних та одноклітинних еукаріотів

А. Еритроцити жаби. На відміну від еритроцитів ссавців, вони містять ядро. Б. Клітини листка. Видно численні зелені хлоропласти, а клітини оточені потужними целюлозними клітинними стінками. В. Переріз плодового тіла шапинкового гриба. Плодове тіло утворене щільною сіткою переплетених ниток — гіф, побудованих із клітин, укритих клітинною стінкою. Невеличкий за обсягом простір між гіфами заповнений повітрям. Г. Інфузорія. Д. Лямблія. Е. Евглена зелена.

Клітина, оточена такою клітинною стінкою, нерухома та не може змінювати своєї форми1. Усередині рослинної клітини містяться органели особливого типу — хлоропласти, що беруть участь у процесі фотосинтезу. Не всі клітини дорослої рослини беруть участь у фотосинтезі. Так, клітини кореня перебувають здебільшого під землею й не здатні до фотосинтезу через недоступність сонячного світла. Такі клітини містять безбарвні відповідники хлоропластів — амілопласти, що часто використовуються для запасання крохмалю. Деякі клітини рослин містять хромопласти — пластиди, що накопичують додаткові пігменти та надають частинам рослини яскравого (червоного, жовтого, жовтогарячого) забарвлення. Усередині клітини рослини є також одна чи кілька вакуоль — великих мембранних органел, заповнених клітинним соком. У зрілій клітині вакуоля розташована в самому центрі й займає більшу частину об’єму клітини, відтісняючи цитоплазму та ядро до периферії. Більшість клітин вищих рослин (за винятком сперматозоїдів) не мають органел руху2.

Клітини грибів мають багато спільного з тваринними клітинами, проте оточені клітинною стінкою. На відміну від рослин, основою клітинної стінки більшості грибів є хітин, а не целюлоза. Часто тіло гриба є мережею розгалужених ниток (гіф). Ці нитки можуть бути розділені на окремі клітини, як у білого гриба чи чорного трюфеля, або бути єдиною нитчастою багатоядерною структурою. Таке тіло, наприклад, у мукора — звичайної хлібної плісняви. А от дріжджі, що теж є грибами, існують у вигляді окремих клітин.

Клітини найпростіших характеризуються величезним різноманіттям. Основна особливість полягає в тому, що клітина найпростішого — це цілий організм, який має виконувати всі життєво важливі функції: харчуватися, розмножуватися, пересуватися, знаходити сприятливі умови середовища. Така клітина влаштована набагато складніше, ніж, скажімо, клітина багатоклітинної рослини чи тварини. Візьмімо, наприклад, клітину інфузорії-туфельки. Вона вкрита численними війками, що забезпечують її переміщення в середовищі. Безпосередньо під плазматичною мембраною є мережа пухирців, яка формує своєрідну цупку оболонку: вона надає клітині форму й виконує роль опори для війок та інших органел.

В інфузорії легко виявити клітинний рот, завдяки якому вона поглинає харчові частинки, а також злягається з інфузоріями «протилежної статі»3. Усередині інфузорії можна помітити дві скоротливі вакуолі, що забезпечують виведення надлишкової води, яка надходить до клітини. Подібних структур у багатоклітинних еукаріотів немає.

Чим відрізняється тваринна клітина від рослинної?

У цьому розділі зробимо порівняльну характеристику клітин рослин і тварин — двох груп еукаріотів, що досягли складної багатоклітинної організації (табл. 13.1, рис. 13.2).

1 Клітинна стінка щойно сформованої клітини містить менше целюлози, тому вона може розтягуватися, забезпечуючи ріст клітини. Також зміна форми може відбуватися, наприклад, під час утворення кореневих волосків. Проте, на відміну від тваринної клітини, ці зміни повільні, незворотні та не пов’язані з переміщенням у просторі.

2 А в клітин квіткових рослин джгутиків немає зовсім.

3 У багатьох найпростіших, що розмножуються статевим шляхом, є щось схоже на статі рослин і тварин, але «статей», як правило, не дві, а значно більше.

Таблиця 13.1. Порівняльна характеристика тваринної та рослинної клітин

Ознака

Прояв у тваринній клітині

Прояв у рослинній клітині

Клітинна стінка

Немає

Є міцна клітинна стінка, основу якої утворює целюлоза

Цитоскелет

Є. Крім мікротрубочок та актинових ниток, наявні й інші структури

Є. Складається тільки з мікротрубочок та актинових ниток

Рибосоми

Є

Є

Ендоплазматична сітка

Є

Є

Вакуолі

Є, у вигляді травних вакуоль

Є одна чи кілька великих вакуоль, заповнених клітинним соком. Часто вакуолі займають більшу частину об’єму клітини

Органели руху

Джгутики та війки.

Є як у сперматозоїдів, так і у клітин тіла

Тільки сперматозоїди мають джгутики. У квіткових рослин джгутиків немає взагалі

Ядро

Є

Є

Мітохондрії

Є

Є

Пластиди

Немає

Є в більшості клітин. Крім зелених хлоропластів, є хромопласти й безбарвні амілопласти

Рис. 13.2. Будова тваринної (А) та рослинної (Б) клітин

Спільні органели: 1. Ядро. 2. ЕПР 3. Апарат Гольджі. 4. Мітохондрії. 5. Рибосоми. Відмінні органели: 6. Клітинна стінка. 7. Вакуоля з клітинним соком. 8. Хлоропласт.

Пластиди — двомембранні органели рослинної клітини

Тепер ми розглянемо деякі органели, характерні для рослинної клітини. Без сумніву, яскравим прикладом таких структур є хлоропласти — органели, у яких відбувається найважливіший енергетичний процес — фотосинтез. Будова хлоропластів (рис. 13.3) має багато спільного з будовою мітохондрій. У них також є дві мембрани: зовнішня й внутрішня, проте внутрішня мембрана майже не формує вгинів. Внутрішня мембрана оточує вміст хлоропласта, який називається стромою. У стромі хлоропласта містяться ДНК хлоропласта та рибосоми, а також дископодібні мембранні пухирці — тилакоїди. Ледь не вся строма заповнена тилакоїдами, які зазвичай щільно спаковані й формуюють групи, що нагадують стоси монет. Їх називають ґранами. Саме в мембрані тилакоїдів міститься хлорофіл та інші пігменти, що беруть участь у вловлюванні енергії сонячного світла та перетворенні її на енергію хімічних зв’язків, тобто у фотосинтезі.

Рис. 13.3. Будова «класичного» хлоропласта вищих рослин

Ліва частина зображення є світлиною, що зроблена за допомогою електронного мікроскопа, права частина — малюнок, створений художником. 1. Строма. 2. Зовнішня мембрана. 3. Тилакоїд. 4. Внутрішня мембрана. 5. Ґрана.

Хлоропласти, як і мітохондрії, мають свої генетичний і білоксинтезувальний апарати. Уважають, що хлоропласти виникли в результаті ендосимбіозу з фотосинтезувальною бактерією. Таким чином, предки рослин вступали до ендосимбіозу двічі: спершу були отримані мітохондрії, а потім хлоропласти. Деякі хлоропласти в ході спеціалізації втратили здатність до фотосинтезу та почали виконувати інші функції. Так, деякі з них використовуються клітиною для запасання крохмалю, як, наприклад, амілопласти в бульбах картоплі. Деякі хлоропласти накопичують пігменти, перетворюючись на хромопласти. Для хлоропластів, амілопластів, хромопластів та інших схожих із ними органел є спільна назва — пластиди.

Вакуолі містять клітинний сік

Ще однією особливістю рослинної клітини є наявність вакуолі, заповненої клітинним соком. У клітині рослин є одна велика чи кілька дрібних вакуоль. Клітинний сік — це розчин неорганічних та органічних речовин. Вакуоля виконує механічну функцію: щільно наповнена водою, вона надає клітині пружності. В’янення рослин через брак вологи пов’язане зі зменшенням об’єму вакуоль. Деякі клітини рослинного організму здатні змінювати об’єм своїх вакуоль, при цьому здійснюючи рухи. Такі, наприклад, замикальні клітини продихів, клітини в листках венериної мухоловки та мімози сором’язливої (рис. 13.4).

Також у вакуолях відкладаються різні речовини. Так, у вакуолях пелюсток квіток накопичуються пігменти, що надають квіткам синього, пурпурового, фіолетового, рожевого, коричневого або червоного кольорів. Колір забарвлення залежить від кислотності клітинного вмісту. Розчин пігментів-антоціанів у кислому середовищі має червоний колір, у нейтральному — синьо-фіолетовий, а в лужному — жовто-зелений.

Рис. 13.4. Рослини здійснюють багато рухів завдяки зміні об’єму клітинних вакуоль

А. Продихи. Б. Листки венериної мухоловки. В. Листки мімози сором’язливої.

Клітинна стінка рослинної клітини складається з целюлози

Ще одна характерна особливість рослинних клітин — наявність клітинної стінки, основу якої утворює целюлоза1. Целюлоза, як ви пам’ятаєте з § 4, є лінійним полімером глюкози. Молекули целюлози «склеюються» між собою, формуючи мікроскопічні нитки, які можна бачити на мікрофотографіях (рис. 13.5, А). Клітинна стінка надає клітині форму, захищає від механічних ушкоджень (рис. 13.5, Б). Іноді клітинна стінка значно потовщується, як у механічних тканин, що виконують опорну функцію (рис. 13.5, В, Г).

Як не дивно, але клітинна стінка бере участь у транспортуванні води та мінеральних речовин по рослині. Передавання розчину від клітинної стінки до клітинної стінки виявляється часто швидшим, ніж передавання від цитоплазми до цитоплазми. Частина провідних тканин рослин представлена судинами. На пізніх етапах формування судини клітина-попередник відмирає, від неї залишається лише клітинна стінка. Саме ця система капілярів переносить воду в рослині на великі відстані.

Рис. 13.5. Будова клітинних стінок рослинних клітин

A. Клітинна стінка рослини: видно мікроскопічні нитки, що є пучками молекул целюлози. Б. Потовщення клітинної стінки в механічній тканині молодого стебла. Запасаючі клітини, помітні в нижній частині рисунка, мають тонку клітинну стінку. У верхній частині світлини зображено механічну тканину з потовщеннями клітинної стінки. B. Групи клітин із потовщеними стінками в м’якоті груші (кам’янисті клітини). Г. Судини та інші провідні елементи квіткової рослини (розфарбовано штучно).

1 Крім целюлози, до неї входять також полісахариди, білки та інші полімери.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Рослинну клітину зображено на рисунку

  • А 1
  • Б 2
  • В 3
  • Г 4
  • Д 5

2. З-поміж перелічених клітин цілими організмами є

1) евглена, 2) інфузорія, 3) лейкоцит, 4) міоцит, 5) яйцеклітина.

  • А 1 та 2
  • Б 2 та 3
  • В 3 та 4
  • Г 4 та 5
  • Д 1 та 5

3. Оболонка рослинної клітини складається з

  • А фосфоліпідної мембрани та білкової клітинної стінки
  • Б фосфоліпідної мембрани та глікокаліксу
  • В фосфоліпідної мембрани та целюлозної клітинної стінки
  • Г стероїдної мембрани та хітинової клітинної стінки
  • Д здерев’янілої мембрани, укритої корковим шаром

4. Ендосимбіотичне походження мають такі органели рослинної клітини, як

  • А рибосоми
  • Б лізосоми
  • В ендоплазматичний ретикулум
  • Г хлоропласти
  • Д вакуолі

5. Укажіть правильні підписи зображених пластид

  • А 1 — хлоропласти, 2 — хромопласти, 3 — амілопласти
  • Б 1 — амілопласти, 2 — хромопласти, 3 — хлоропласти
  • В 1 — хромопласти, 2 — хлоропласти, 3 — амілопласти
  • Г 1 — амілопласти, 2 — хлоропласти, 3 — хромопласти
  • Д 1 — хлоропласти, 2 — амілопласти, 3 — хромопласти

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Чи однакова рухливість тваринних і рослинних клітин? Як це позначається на будові та функціонуванні великого багатоклітинного організму?

7. Перелічіть органели, що дають змогу впевнено відрізнити рослинну клітину від тваринної. Які функції виконують ці органели?

8. Які особливості будови клітин грибів? На які групи прийнято поділяти гриби за будовою гіф? Укажіть риси схожості грибних клітин із тваринними та рослинними.

9. Порівняйте будову двох зображених організмів. Укажіть спільні та відмінні органели. Поясніть їхню наявність з огляду на способи життя цих організмів.

10. Перелічіть основні види пластид. Опишіть функції названих вами пластид.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Проілюструй на кількох прикладах різноманіття складу та властивостей клітинного соку вакуоль.

12. Як утворюється целюлозна клітинна стінка рослинної клітини? Які речовини, крім целюлози, входять до її складу? Яка їхня роль у структурі клітинної стінки?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Опиши незвичайні клітини рослин: найбільші й найменші, рухомі й нерухомі, живі та мертві, ядерні й без’ядерні. Поясни зв’язок між особливістю клітини та її функцією в рослинному організмі.

14. Наведи кілька прикладів одноклітинних фотосинтезувальних еукаріотів. Порівняй будову їхніх клітин із будовою клітин зелених рослин, зверни увагу на схожості й відмінності. Спробуй пояснити їх.

Проект для дружної компанії

15. Виділення та розділення рослинних пігментів.

A. Отримання суміші рослинних пігментів.

  • 1) Промийте й просушіть 3-4 зелені листки будь-якої рослини.
  • 2) Дрібно поріжте їх ножицями в ступку та розітріть товкачиком.
  • 3) Отриману рослинну масу й сік перенесіть ложкою в склянку.
  • 4) Додайте кілька мілілітрів спирту або рідини для зняття лаку з нігтів. Залиште суміш на 10-15 хвилин.
  • 5) Профільтруйте отриману суміш крізь лійку й серветку (або паперовий рушник) у чисту склянку.

Б. Проведення паперової хроматографії пігментів.

  • 6) Відріжте смужку тонкого паперу (для кавових фільтрів чи від паперового рушника).
  • 7) Намотайте смужку на олівець так, щоб її кінець не торкався дна чистої склянки, коли олівець лежить на склянці.
  • 8) За 2 см від нижнього кінця смужки нанесіть краплю фільтрату. Дайте зеленій краплі просохнути й нанесіть на те саме місце ще одну краплю. Повторіть ще 2-3 рази.
  • 9) Налийте в склянку бензину, гасу чи рідини для зняття лаку з нігтів стільки, щоб висота налитої рідини була близько 1 см.
  • 10) Опустіть смужку із зеленою плямою, намотану на олівець, у склянку так, щоб ця смужка не торкалася стінок, але її край був змочений у рідині. Не допускайте змочування зеленої плями рідиною!
  • 11) Прикрийте склянку, щоб рідина не випаровувалася, і залиште на 20-40 хвилин. Спостерігайте, як пляма, рухаючись угору, розділяється на різнокольорові компоненти.

B. Оцінювання результатів і підбиття підсумків.

  • 12) Витягніть смужку зі склянки, коли пляма пересунеться до верхнього краю паперу. Висушіть її.
  • 13) Позначте олівцем кольорові смуги на папері, що відповідають різним пігментам:

• найнижча смуга — жовто-зелений хлорофіл b;

• наступна смуга — зелений і синьо-зелений хлорофіл а;

• ще вища смуга — жовті ксантофіли;

• найвища смуга — жовто-оранжеві каротиноїди.

  • 14) Поясніть, чому різні пігменти рухаються з різною швидкістю в цьому розчинникові.
  • 15) Спробуйте отримати й розділити подібним способом суміші пігментів із квіток, ягід і незелених листків рослин. Порівняйте результати.

Доповнення V (продовження)

Теорія ендосимбіозу: хлоропласти

Відкриття хлоропластів зазвичай приписують Юліусу фон Саксу — «батькові фізіології рослин». 1884 року Едуард Страсбургер запропонував назву «хлоропласти», що й закріпилася в біології.

Загальноприйнятою є думка, що хлоропласти походять від ціанобактерій. Характерною ознакою цих бактерій є фотосинтез із хлорофілом а та b та виділенням кисню — такий самий, як і в наземних рослин. Ціанобактерії мають дві мембрани: внутрішню та зовнішню, між якими розміщена клітинна стінка. Ціанобактерії мають складну систему мембран і мембранних пухирців, які за аналогією до подібних структур у хлоропластах називають тилакоїдами.

У результаті першої ендосимбіотичної події близько 1,6 млрд років тому ціанобактерія була поглинена еукаріотом. Так виник первинний хлоропласт. Оскільки під час поглинання утворюється мембранний пухирець, що обмежує двомембранну бактерію, то мембран у такого хлоропласта має бути три. Але в первинних хлоропластів лише дві мембрани. Нині вважають, що третя мембрана (пухирцева) була втрачена, а зовнішня мембрана хлоропласта відповідає їй у ціанобактерій.

Потім виникли три головні типи хлоропластів: хлоропласти глаукофітових водоростей, хлоропласти зелених водоростей та наземних рослин і хлоропласти червоних водоростей. Усі три типи первинних хлоропластів обмежені двома мембранами.

Особливість пластид у тому, що в еволюції еукаріотів ендосимбіотичні події відбувалися кілька разів. Це означає, що різні еукаріоти отримували пластиди, утрачали й знову отримували їх у результаті ендосимбіозу.

Якщо водорість із первинним хлоропластом, обмеженим двома мембранами, буде поглинена іншою водоростю, то утвориться вторинний хлоропласт, обмежений чотирма мембранами. Увесь цей процес називається вторинним ендосимбіозом. Хлоропласти криптомонад навіть зберегли залишки ядра, що належало поглиненій червоній водорості.

Хлоропласти евгленових водоростей виникли так: предок евглен поглинув зелену водорість. У результаті утворився хлоропласт із трьома мембранами (зовнішня була втрачена).

Хлоропласти, що пішли від червоних водоростей, набагато поширеніші, ніж «зелені». Такі хлоропласти є, наприклад, у діатомових, бурих, золотистих і жовто-зелених водоростей. Споровики містять залишки хлоропластів, що мають походження від червоних водоростей — апікопласти. Найвідомішим представником споровиків є збудник малярії — малярійний плазмодій. Уявіть-но тільки! Хвороба, що забирає мільйони життів щороку, спричинена організмом, предки якого були водоростями, фотосинтезували й гадки не мали про те, щоб жити всередині кров’яних клітин, харчуватися їхнім умістом і призводити до нападів лихоманки.

Однак найпомітніші серед носіїв хлоропластів, які є нащадками червоних водоростей, — динофлагеляти. Ці водорості спричиняють світіння води (ночесвітки), а також червоні припливи — цвітіння води, за якого вона набуває криваво-червоного кольору. Динофлагеляти можуть мати різні типи хлоропластів, що походять від різних водоростей, які самі отримали хлоропласт у результаті поглинання водорості. Таке явище має назву третинний ендосимбіоз.

У клітинах динофлагелята криптоптеридія міститься хлоропласт, обмежений п’ятьма мембранами. Цей хлоропласт — колись поглинена діатомова водорість, яка сама має хлоропласти, що походять від червоних водоростей. Ядро діатомової водорості не зникло, навіть більше — вона зберегла власні мітохондрії. Крім того, у клітинах криптоптеридія залишилися ще власні вторинні хлоропласти. Таким чином, одна клітина містить два різні еукаріотичні ядра, два різні типи хлоропластів і дві різні групи мітохондрій!

Можна сказати, що симбіотичне походження хлоропластів настільки очевидне з їхньої структури, що жодних сумнівів бути не може. Якщо хлоропласти не виникали в результаті ендосимбіозу, нам довелося б припустити, що різні групи еукаріотів винайшли свої хлоропласти незалежно щонайменше 15 разів! Отже, розуміння еволюції хлоропластів відіграє важливу роль у встановленні непростих еволюційних взаємин між еукаріотами.