1 Запасные вещества в клетке
Во всех клетках находятся простые органические соединения, играющие роль “строительных блоков”, из которых синтезируются более крупные – макромолекулы. Макромолекула — это гигантская молекула, построенная из многих повторяющихся единиц; следовательно, она представляет собой полимер, звенья которого называются мономерами. Существует три типа макромолекул: белки, полисахариды и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них служат соответственно аминокислоты, моносахариды и нуклеотиды.
Белки. Белки – это сложные органические соединения, состоящие из углерода, водорода, кислорода и азота. В некоторых белках содержится еще и сера. Часть белков и образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь. Молекулы белков – цепи, построенные из аминокислот, – очень велики; это макромолекулы, молекулярная масса которых колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Потенциальное разнообразие белков безгранично, поскольку каждому белку свойственна своя аминокислотная последовательность; генетически контролируемая, т.е. закодированная в ДНК клетки, вырабатывающей данный белок. Белков в клетках больше, чем каких бы то ни было других органических соединений; на их долю приходится свыше 50% общей сухой массы клетки. Они – важный компонент пищи животных и могут превращаться в животном организме как в жир, так и в углеводы. Большое разнообразие белков позволяет им выполнять в живом организме множество различных функций, одна из которых питательная или запасающая функция. Ктаким белкам относятся резервные белки, являющиеся источником питания для развития плода, белки яйца (яичный альбумин) и основной белок молока (казеин). Ряд других белков используется в качестве источника для аминокислот.
Углеводы – вещества с общей формулой Сх(Н2О)у.
Полисахариды. Эти соединения играют, главным образом, роль резерва пищи и энергии, например, крахмал и гликоген ( в процессе окисления 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж), а также используются в качестве строительных материалов (например, целлюлоза). Полисахариды – это макромолекулы, с высокой молекулярной массой; несладкие; нерастворимые или плохо растворимые в воде; не кристаллизуются. Они удобны в качестве запасных веществ по ряду причин: большие размеры молекул делают их практически нерастворимыми в воде и, следовательно, они не оказывают на клетку ни осмотического, ни химического влияния; их цепи могут компактно свертываться; при необходимости они могут легко быть превращены в сахара путем гидролиза.
Крахмал. Это полимер глюкозы. У растений крахмал служит главным запасом “горючего”, но его не бывает у животных, у которых его функцию выполняет гликоген. Молекулы крахмала состоят из двух компонентов — амилозы и амилопектина. Линейные цепи амилозы, состоящие из нескольких тысяч остатков глюкозы, способны спирально свертываться и, таким образом, принимать более компактную форму. У разветвленного полисахарида амилопектина компактность обеспечивается интенсивным ветвлением цепей. Амилопектин содержит примерно вдвое больше глюкозных остатков, чем амилоза.
Крахмал запасается в клетках в виде так называемых крахмальных зерен. Их можно видеть в первую очередь в хлоропластах листьев, а также в органах, где запасаются питательные вещества, например, в клубнях картофеля или семенах злаков и бобовых. Крахмальные зерна имеют слоистую структуру и у разных видов растений различаются как по форме, так и по размерам.
Гликоген. Это эквивалент крахмала, синтезируемый в животном организме, т.е. это тоже резервный полисахарид, построенный из остатков глюкозы; встречается гликоген и в клетках многих грибов. У позвоночных гликоген содержится, главным образом, в печени и в мышцах, иными словами, местах высокой метаболической активности, где он служит источником глюкозы, используемой в процессе дыхания. По своему строению гликоген весьма схож с амилопектином, но его цепи ветвятся еще сильнее. В клетках гликоген отлагается в виде крошечных гранул, которые обычно бывают связаны с гладкой эндоплазматической сетью.
Липиды – это органические вещества, которые можно извлечь из клеток органическими растворителями. Основная функция липидов – запасающая.
При окислении липидов выделяется больше энергии, чем при окислении равной массы углеводов (окисление 1 г липидов до СО, и Н2О освобождает 38,9 кДж). В организме животных, впадающих в спячку, накапливается перед спячкой избыточный жир. У позвоночных жир отлагается еще и под кожей, где он служит для теплоизоляции. Например, у китов, у которых он играет еще и другую роль, способствует плавучести. В растениях обычно накапливаются масла, а не жиры. Семена, плоды и хлоропласты часто весьма богаты маслами, а некоторые семена, как, например, семена сои и подсолнечника, служат сырьем для получения масла промышленным способом. Одним из продуктов окисления жиров является вода. Эта метаболическая вода очень важна для некоторых обитателей пустыни, в частности для верблюда; жир, запасаемый в его горбах, используется именно для этой цели.
2 Типы взаимоотношений между организмами
Многие организмы создают среду для организмов других видов или меняют условия их обитания. Такие связи между организмами называются топическими. Например, деревья в лесу служат местом кормежки и постройки гнезд для многих птиц; на их листьях живут тли и гусеницы, под корой — личинки жуков; на поверхности корней обитает особое сообщество грибов и бактерий. Задерживая часть солнечных лучей, влияя на температуру и влажность, деревья меняют условия обитания травянистых растений. Все это — топические связи между деревьями и другими организмами.
Другой тип связей — трофические, или пищевые. Они возникают, когда одни организмы служат источником пищи для других. Трофические связи существуют между деревом и многоножками-кивсяками, поедающими его опавшую листву; между лисой и полевками; между лошадьми и жуками-навозниками.
По составу пищи всех гетеротрофов можно разделить на детритофагов (они питаются мертвым органическим веществом) и потребителей живой добычи. Связи между последними и их пищевыми объектами обозначаются как отношения «жертва — эксплуататор». Сюда входят отношения между хищниками и их жертвами, между паразитами и хозяевами, между травоядными животными и растениями и т. п.
Особые отношения возникают между видами, которые используют одни и те же ресурсы (пищу, территорию, свет и т. п.). Эти отношения — межвидовая конкуренция. Виды-конкуренты, создавая нехватку ресурсов, оказывают друг на друга угнетающее воздействие (вызывают снижение численности, замедление роста особей и др.). В некоторых случаях разные виды непосредственно «мешают» друг другу. Например, некоторые растения выделяют в почву вещества, угнетающие рост растений других видов. Муравьи на своей охотничьей территории убивают муравьев других видов. Такие взаимоотношения называются интерференцией.
Между многими видами в сообществе существуют тесные взаимовыгодные связи. Например, многие насекомые опыляют определенные виды цветковых растений, а сами питаются нектаром их цветков; муравьи поедают сахаристые экскременты тлей и мри этом защищают тлей от хищников. Такие взаимовыгодные отношения называют мутуализмом. Мутуалистические отношения играют очень важнуюроль в функционировании систем. Воздействие видов друг на друга трудно однозначно разделить на «полезные» и «вредные». Например, хищники приносят вред жертвам, убивая и поедая их. Но для популяции жертв воздействие хищников может быть полезным. Многие хищники (волки, хищные птицы) часто потребляют ослабленных, больных жертв. Они препятствуют резкому росту численности жертв и распространению эпизоотии.
Часто между одной и той же парой видов существуют несколько типов связей. Например, в озерах, где обитают лещ и лосось, молодь этих рыб конкурирует за пищу, а взрослые лососи охотятся на молодь леща. Бабочки могут опылять растение, которым питаются их гусеницы. Между группами видов в сообществах бывают сложные «сети» взаимосвязей, включающие конкуренцию, мутуализм, паразитизм и др.
3 Вирусы
Вирусы – это мельчайшие живые организмы, размеры которых варьируют в пределах примерно от 20 до 300 мм; в среднем они раз в пятьдесят меньше бактерий. Как уже говорилось, вирусы нельзя увидеть с помощью светового микроскопа (так как их размеры меньше полудлины световой волны), и они проходят через фильтры, которые задерживают бактериальные клетки.
Часто задают вопрос: «А являются ли вирусы живыми?» Если живой считать такую структуру, которая обладает генетическим материалом (ДНК или РНК) и которая способна воспроизводить себя, то можно сказать, что вирусы живые. Если же живой считать структуру, обладающую клеточным строением, то ответ должен быть отрицательным. Следует также отметить, что вирусы не способны воспроизводить себя вне клетки-хозяина. Они находятся на самой границе между живым и неживым. И это лишний раз напоминает нам, что существует непрерывный спектр все возрастающей сложности, который начинается с простых молекул и кончается сложнейшими замкнутыми системами клеток.
Поведение.Вирусы могут воспроизводить себя только внутри живой клетки, поэтому они являются облигатными паразитами. Обычно они вызывают явные признаки заболевания. Попав внутрь клетки-хозяина, они «выключают» (инактивируют) хозяйскую ДНК и, используя свою собственную ДНК или РНК, дают клетке команду синтезировать новые копии вируса. Вирусы передаются из клетки в клетку в виде инертных частиц.
Строение. Вирусы устроены очень просто. Они состоят из фрагмента генетического материала, либо ДНК, либо РНК, составляющей сердцевину вируса, и окружающей эту сердцевину защитной белковой оболочкой, которую называют капсидом. Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. У некоторых вирусов, таких, как вирусы герпеса или гриппа, есть еще и дополнительная липопротеидная оболочка, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина. В отличие от всех остальных организмов вирусы не имеют клеточного строения.
Оболочка вирусов часто бывает построена из идентичных повторяющихся субъединиц – капсомеров. Из капсомеров образуются структуры с высокой степенью симметрии, способные кристаллизироваться. Это позволяет получить информацию об их строении как с помощью кристаллографических методов, основанных на применении рентгеновских лучей, так и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине появляются субъединицы вируса, они сразу же проявляют способность к самосборке в целый вирус. Самосборка характерна и для многих других биологических структур, она имеет фундаментальное значение в биологических явлениях.
Спиральная симметрия.Лучшей иллюстрацией спиральной симметрии может служить вирус табачной мозаики (ВТМ), содержащий РНК. 2130 одинаковых белковых субъединиц составляют вместе с РНК единую целостную структуру – нуклеокапсид. У некоторых вирусов, например у вирусов свинки и гриппа, нуклеокапсид окружен оболочкой.
Бактериофаги. Вирусы, которые нападают на бактерий, образуют группу так называемых бактериофагов. У некоторых бактериофагов имеется явно выраженная икосаэдрическая головка, а хвост обладает спиральной симметрией.
Сложные вирусы. Некоторые вирусы, например, рабдовирусы и вирусы оспы, имеют сложное строение.
В зависимости от длительности пребывания вируса в клетке и характера изменения ее функционирования различают три типа вирусной инфекции: литическая ( в пер. с греч. “разрушение, растворение), персистентная ( в пер. с греч. “стойкая”), латентная ( в пер. с греч. “скрытая”)
Основное отличие от других организмов. Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию. Лишь попав в клетку, генетический материал вируса воспроизводится, переключая работу клеточных биохимических конвейеров на производство вирусных белков: как ферментов, необходимых для репликации вирусного генома – всей совокупности его генов, так и белков оболочки вируса.