Удивительная Биология

Наука и Религия

В университетском учебнике по биологии из США написано так:

[Научный подход подразумевает проверку гипотез]. Но не все гипотезы подпадают под научные критерии. Так, например, невозможно проверить гипотезы про невидимых призраков которые шалят с материей. Так как наука занимается исключительно естественными, проверяемыми объяснениями естественных явлений, наука не может ни подтвердить, ни опровергнуть, невидимых призраков, духов, или эльфов, которые вызывают бурю, радугу, или болезнь. Такие сверхъестественные объяснения просто находятся вне границ, которыми занимается наука. Там же лежит и религия, которая является вопросом личной веры.

Наука и религия не являются взаимоисключающими или противоречивыми; они просто рассматривают разные области бытия.

(Campbell Biology)

Муравьи стреляют кислотой

В случае опасности сверху, колония древесных муравьёв стреляют муравьиной кислотой в воздух.

Подобная атака вполне способна отпугнуть хищника. Например, птицу

Карликовый Морской Конёк

Сможешь найти спрятавшегося морского конька? Будет непросто, он мастер маскировки 😁

Хорошо, вот как он выглядит. Теперь можешь?)

Как работает героин?

Форма биологической молекулы определяет её функцию в организме: эта форма задаёт то, как биологические молекулы опознают друг друга и как взаимодействуют. Молекулы часто соединяются друг с другом, образуя слабые полярные связи (плюс к минусу), но только если формы этих молекул дополняют друг друга. То есть, если они идеально друг другу подходят по форме.

Например, давайте посмотрим на опиаты, такие как морфин и героин. Они утоляют боль, а также меняют состояние человека. Это происходит из-за того, что они связываются с определёнными молекулами в головном мозге: рецепторами.

Вопрос. Как так получилось, что в головном мозге человека есть рецепторы, которые реагируют на молекулы, произведённые не телом человека, а вообще маковыми растениями? Они-то тут при чём?

В 1975-м году, когда были открыты эндорфины, нашёлся ответ на этот вопрос. Эндорфины — это сигнальные молекулы, которые производятся гипофизом, и связываются с рецепторами в головном мозге, смягчая боль и вызывая эйфорию во время физических нагрузок. Например, во время бега или тренировки.

Опиаты имеют форму, схожую с эндорфинами, и благодаря этой форме, могут связываться с теми же самыми рецепторами в мозгу. Вот почему опиаты и эндорфины имеют схожее действие на человека.

Иллюстрация. Слева – молекула эндорфина человека. Справа – молекула морфия. Квадратиком обведена та часть молекулы, которая является общей, и которая способна благодаря своей форме соединиться с эндорфиновым рецептором.

Иллюстрация. И естественный эндорфин (слева), и морфий (справа), способны соединяться с одним и тем же рецептором. Рецептор встроен во внешнюю мембрану клетки (на изображении: окружность) . Воздействие на этот рецептор передаёт воздействие внутрь нейрона и вызывает ту реакцию, на которую эта цепочка запрограммирована.

Дима:

У героинового (и в принципе опиатного) наркомана постепенно прекращается синтез собственных эндорфинов. Организм видит, что аналог эндорфина поступает извне, и перестаёт расходовать ресурсы на создание собственного.

А эндорфин очень нужная штука, на самом деле. Когда мы ходим, стоим, сидим, даже лежим — у нас там кости в суставах трутся, мышцы разные напрягаются и расслабляются, но мы этого не чувствуем. Все эти ощущения гасит эндорфин: он как бы задаёт ватерлинию, ощущения ниже которой мозгом игнорируются. Это так же задаёт болевой порог.

Поэтому, что такое опиатная ломка? Это ощущение своего организма “как есть”, чистое ощущение, не убаюканное эндорфином. И это очень и очень страшно и больно в плане ощущений — пережившие говорят, как будто всё тело засунули в мясорубку и проворачивают в фарш.

Но несмотря на жуткие ощущения, опиатная ломка — довольно безопасное для организма состояние. Ничего реально страшного в принципе не происходит: ведь ты просто ощущаешь каждые движения, соприкосновение костей, сокращения и расслабления мышц внутри твоего тела. Но это настолько кошмарные ощущения, что люди кончают с собой от адских мук, и даже понимание процесса им вообще не помогает.

Жук Бомбардир

У жука-Бомбардира интересный механизм защиты от врагов: в случае опасности он прыскает кипящей жидкостью которая содержит раздражающие химикаты.

Жук хранит реагенты в своём теле в раздельных камерах: когда химикаты разделены, они безопасны. В случае опасности жук сжимает стенки резервуара, химикаты изливаются в общую камеру, и там происходит реакция с выделением тепла. Жидкость нагревается до 100℃, вскипает, и выстреливает из брюшка. Кончик брюшка подвижен и позволяет направлять струю жидкости точно на врага.

Углеводы: Как Растения И Животные Используют Сахар

Если почитать состав на коробке еды, можно заметить что там есть “углеводы”. Углеводы — это класс молекул, которые включают в себя сахара и составные сахара, полимеры.

Начнём с того, почему они так называются. Углеводы состоят из атомов углерода (эта цепочка углеродов на изображении называется “углеродный каркас”) и водородов. Углерод-вородород. Угле-воды. Отсюда и название.

Однако это не всё. Чтобы попасть в категорию “углеводы”, молекула должна так же содержать несколько —OH групп, и двойную связь с одним кислородом (выделено красным на рисунке).

Важнейший сахар — глюкоза (картинка): это то самое топливо, которое клетки используют как источник энергии. Всё что в тебе шевелится, шевелится благодаря глюкозе.

Фруктоза — это сахар, дающий сладкий вкус фруктам и ягодам. Обратите внимание на переместившийся кислород (выделенный красным, картинка). Такое положение говорит, что это так называемый “кетон”. Остальная часть молекулы не отличается от глюкозы.

Фруктоза на вкус слаще глюкозы. В 1970-х произошло важное событие: была разработана методика преобразования глюкозы из кукурузного сиропа в более сладкую фруктозу. В результате получился кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы: этот ингридиент слаще, дешевле, и теперь его можно заметить в составе лимонадов и полуфабрикатов.

Сок растений содержит сахар, но это не глюкоза. Там содержится более сложная молекула: глюкоза, соединённая через атом кислорода с фруктозой. Такая молекула называется “сахароза”, или наш обычный столовый сахар (картинка). Именно такую молекулу мы получаем из сахарного тростника и сахарной свёклы.

Мальтоза, также известная как “солодовый сахар”, используется в пивоварении. Он получается из солода, когда тот побродит в воде. Мальтоза состоит из двух глюкоз, соединённых вместе.

Молоко содержит лактозу: ещё один сахар. В нём глюкоза соединена с галактозой.

Такие составные молекулы не могут использоваться нашим организмом сразу: они должны быть разбиты на более простые сахара. Этим занимаются ферменты.

Например, лактоза — “молочный сахар” — раскладывается на два простых сахара ферментом под названием “лактаза”. У некоторых людей нет лактазы, и соответственно, они не могут перерабатывать лактозу. На эту неусваивающуюся лактозу набрасываются кишечные бактерии, которые в результате дают газ и диарею. Так работает непереносимость лактозы.

Люди с непереносимостью лактозы могут есть молочные продукты, но им нужно будет отдельно принять фермент лактазу, чтобы он расщепил лактозу на простые сахара. Существует также молочная продукция, уже обработанная лактазой.

Мы посмотрели на простые углеводы. Но бывают и намного более длинные цепочки сахаров: они называются полисахариды (поли = много), и состоят из множества соединённых вместе глюкоз. Такой полимер может быть длиной сотни и тысячи единиц.

И растения, и животные, складируют глюкозу в виде таких цепочек, потому что это источник энергии, которая может пригодиться.

Растения используют крахмал: полимер, в котором множество молекул глюкозы соединены в длинные цепочки (верхняя картинка). Растения способны отщипывать кусочки этой цепи если есть потребность в энергии.

Мы тоже можем пользоваться этой энергией. Когда мы съедаем овощ, содержащий крахмал, он расщепляется на составляющие, потому что у нас есть ферменты которые этим занимаются. В результате получаются маленькие глюкозки, которые мы можем использовать для получения энергии.

Животные тоже складируют глюкозу, но в виде гликогена: он как крахмал, но сильно ветвится. (Нижняя картинка)

У позвоночных, гликоген откладывается в-основном в печени и в мышечных клетках. Он используется, когда возникает потребность в сахаре. Однако эти запасы невелики: у человека, например, запас гликогена иссякает за день, если его не восполнять приёмом пищи. В этом проблема диет с низким содержанием углеводов: может начаться слабость и усталость.

Сахара используются не только как источник энергии, но так же как стройматериал.

Целлюлоза — это крепкий материал, из которого сделаны стенки клеток растений. Он состоит из длинных цепочек глюкозы, в которых, в отличие от крахмала, каждая вторая глюкоза размещена вверх ногами (картинка).

Благодаря такой структуре, волонка целлюлозы получаются очень прямые, и благодаря этому они могут находиться близко друг к другу и прилипать. В итоге получается прочное волокно.

На упаковке еды, “клетчатка” указывает на целлюлозу. Но большинство животных не могут её переваривать: из-за того, что у неё отличается форма, те же самые ферменты уже не способны её обработать. Так что когда мы едим целлюлозу, она проходит насквозь. Однако по пути она стимулирует стенки кишечника на выработку слизи, которая способствует более лёгкому прохождению пищи через желудочно-кишечный тракт.

Коровы могут переваривать целлюлозу: для этого у них в кишечнике живут специальные микроорганизмы, помогающие её расщеплять. Поэтому коровы могут есть траву, а мы — нет.

Насекомые тоже используются сахар как стройматериал: хитин — это полимер глюкозы, который членистоногие (насекомые, ракообразные, и др.) используют для своего экзоскелета. Это хитрое химическое соединение кожистое и мягкое, но со временем твердеет благодаря тому, что протеины химически связываются друг с другом.

Круговорот Глюкозы

Ещё в школе мы слышали про фотосинтез: растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Благодаря этому процессу нам есть чем дышать.

А вот вопрос. Зачем растения это делают? Для чего им нужен углекислый газ? А кислород они зачем выделяют, для нас что ли?

Давайте посмотрим на формулы. Растение поглощает углекислый раз, это CO₂. А выделяют кислород, это O₂. После этого самому растению остаётся углерод C.

Из этого углерода растение производит углеводы: глюкозу, которая, как мы видели, состоит из атомов C, O, H.

Глюкоза образуется с помощью энергии света: то есть, растение запасает солнечную энергию и “складывает” её в молекулы глюкозы. Лишний кислород при этом выбрасывается. Он просто лишний.

Далее животное съедает растение, и получает ту самую энергию в виде глюкозы. На этой энергии животное может двигаться, жить, и осуществлять другие клеточные процессы.

Однако чтобы превратить глюкозу в энергию, требуется кислород. Животное вдыхает O₂ и использует его в реакциях окисления, которые на выходе дают энергию. При этом процессе образуется лишний CO₂, которое животное выдыхает.

Поскольку энергия, которую мы получаем из съеденных углеводов, является энергией солнца, можно сказать, что тепло и движение нашего тела — это энергия звёзд :)

Далее этот CO₂ улавливается другими растениями и снова превращается в глюкозу. Получается так называемый “цикл углерода в природе”.

Жиры

Жир. Тот самый, который мы гоняем с живота и боков. Он откладывается внутри клеток, состоящих из жировой ткани, которые способы этот самый жир накапливать, и возникновении потребности в энергии, отдавать. Давайте посмотрим, из чего состоит сам жир.

Жиры состоят из молекулы глицерина (серая, слева на изображении) с тремя присоединёнными к нему жирными кислотами (выделены оранжевым). Глицерин — это основа, которая держит всю молекулу вместе, а длинные “хвосты” углеродов с водородами запасают энергию. В этих “хвостах”, между прочим, запасено столько же энергии сколько в бензине, на котором ездят наши машины.

Один грамм жира хранит в два с лишним раза больше энергии, чем крахмал. Животным нужно таскать все свои запасы энергии с собой, поэтому более компактное хранилище имеет смысл. А растениям мобильность не требуется, поэтому им вполне подходит запасание в громоздком крахмале, который обычно откладывается в корнях и корнеплодах.

Однако обратите внимание: в семенах растения содержится не крахмал, а жир, в форме масла. Семенам требуется компактность и мобильность, поэтому громоздкий крахмал тут не годится. Всё продумано :)

В итоге жиры — это компактное хранилище запасённой энергии.

Молекула жира обладает интересным свойством: она гидрофобна (от греческого “гидро” — вода, “фобия” — страх). Жир, кажется, отталкивает воду: капли воды скатываются с жирной поверхности. Это происходит потому, что вода притягивается к положительно или отрицательно заряженным областям, а у жиров таких областей нет, и поэтому вода просто проходит мимо, вместо жира кучкуясь сама с собой.

Поэтому гусь, чьи перья смазаны жиром, не намокает в воде, а ты выходишь весь мокрый, и волосы тоже приходится сушить.

Вспомним, в каком виде бывает жир в нашей пище?

Животный жир это сливочное масло, и оно твёрдое. А растительный жир – это растительное масло, и оно жидкое. Рыбий жир тоже жидкий. Откуда такая разница?

Потому что жир бывает двух видом.

Молекула насыщенного жира имеет три “хвоста”, где каждый углерод связан с двумя водородами. Больше не влезает по валентности. Такая структура “насыщена” водородом (левое изображение).

Жиры животного происхождения обычно насыщенные. Такие молекулы длинные, ровные, стройные, и могут плотно прилегать друг к другу: поэтому насыщенные животные жиры, такие как сало и масло, при комнатной температуре достаточно тверды и не растекаются.

Ненасыщенный жир содержит меньше атомов водорода: в них один углерод вместо этого образовал двойную связь с соседом (см. правую картинку). Эта двойная связь также создаёт перегиб в цепи, и форма молекулы уже не получается ровной.

Жиры растений и рыб обычно ненасыщенные. Из-за перегиба у молекулы хвост торчит в сторону, и такие молекулы уже не могут плотно прилегать друг к другу. При комнатной температуре они остаются в жидкой форме.

Но вспомним, что маргарин — это тоже растительный жир, но он твёрдый. Как же так? Дело в том, что маргарин когда-то был жидким, но его пропустили через процесс добавления водорода (т.н. “гидрогенизация”, от слова hydrogen: водород), и большинство жиров стали насыщенными. Молекулы выпрямились, стали стройными, и плотнее прилегают друг к другу. Теперь такой жир может затвердеть и стать маргарином.

Так, маргарин — это обработанное растительное масло :)

Есть ещё так называемые транс-жиры: они вредные и увеличивают вероятность сердечно-сосудистых заболеваний. ВОЗ даже рекомендует их полностью удалить. В небольших количествах такие жиры присутствуют в мясе жвачных животных, но в больших количествах они образуются при гидрогенизации масла, то есть, при производстве маргарина.

Отличается транс-жир от обычного ненасыщенного только тем, что “излом” повёрнут в другую сторону. А поскольку в метаболизме форма молекулы играет ключевую роль, это немаловажная деталь.

Не все жиры используются как хранилище энергии. Есть жиры в составе клетки: например, фосфолипиды.

Фосфолипид это молекула жира у которой только две жирные кислоты (на картинке: два хвоста, выделены оранжевым), и группа с фосфором в “голове” этой молекулы (серый).

Фосфор в “голове” молекулы создаёт заряженную область (выделено жёлтым). Из-за такого распределения зарядов, голова получается гидрофильной (притягивается к воде), а ножки – гидрофобными (отталкиваются от воды).

Когда такие молекулы попадают в воду, они стараются развернуться “головой” к воде и спрятать “ножки” в сторону. В итоге такие молекулы кучкуются и самостоятельно собираются в целое покрывало: двухслойную мембрану, чья внешняя поверхность касается воды “головами” фосфолипидов, в то время как “ножки” отвёрнуты и скрываются внутри мембраны (см. изображение, d).

Такие мембраны составляют внешнюю оболочку клетки, и их функция — отделять внутренность клетки от внешней среды. Если бы не мембраны, клетки вообще бы не смогли существовать.

Белки (Протеины)

Более половины сухой массы вашего тела — это белки, которые осуществляют практически все процессы, происходящие внутри вас.

Одни протеины регулируют и ускоряют химические процессы: это ферменты. Другие работают как врата на клеточной мембране, пропуская внутрь только определённые молекулы. Белки умеют захватывать и переносить с места на место разные полезные молекулы, как например, гемоглобин в крови обхватывает и переносит молекулы кислорода. Белки обеспечивают защиту от патогенов. Белки осуществляют сигнализирование и коммуникацию. Они реализуют механизмы, благодаря которым вы можете шевелиться.

Белки — это самые крупные и сложные среди молекул, но они составляются из небольшого набора строительных блоков: 20-ти аминокислот.

Аминокислота — это молекула, в центре которой находится атом углерода, к которому присоединены две функциональные группы (см. рисунок: два фиолетовых прямоугольника). Эти группы позволяют двум аминокислотам соединяться друг с другом, и так они образуют длинные цепочки.

Каждая аминокислота, помимо двух “соединяющих” групп, имеет также “радикал”. Этот радикал — разный для разных аминокислот, и именно он задаёт её физические и химические свойства. Так, некоторые радикалы задают положительный или отрицательный заряд, позволяя им соединяться друг с другом.

Когда много таких разных по своим свойствам аминокислот соединяются и собираются в длинную цепочку, эта цепочка обладает определёнными свойствами в разных своим регионах. Например, некоторые аминокислоты могут образовывать дополнительные связи, и тогда цепочка, соединяясь сама с собой, сворачивается в более сложную форму. Другие аминокислоты имеют электрический заряд, и позволяют этой области белка соединяться с другими заряженными белками.

В прошлом посте мы соединили две аминокислоты. А белок обычно состоит из сотен аминокислот, и каждая из них подобрана так, чтобы у белка были определённые свойства в нужном месте. Конкретная последовательность аминокислот закодирована в ДНК: в соответствии с этим кодом, рибосома (специальная молекулярная фабрика по сборке белков) подбирает нужные аминокислоты и соединяет их в цепочку, соответствующую коду ДНК (см. картинку, слева).

Благодаря радикалам, в этой цепочке есть области, которые могут образовывать связи: положительно заряженные области притягиваются к отрицательно заряженным областям. Когда множество таких притяжений стягивают белок в нескольких местах, образуется трёхмерная структура: спирали (альфа-спирали) и бета-складчатые листы (см. картинку, в середине). Так молекула начинает получать форму.

В свою очередь, складчатые листы с краёв тоже могут образовывать связи, и два листа, притянувшись друг к другу, способны прочно удерживать форму всей молекулы.

Итоговая форма белка закодирована в последовательности аминокислот, но процесс свёртки белка очень сложный и многоходовый. По этой причине, из 65 миллионов известных белков, мы узнали форму только 35 000.

Форма итогового белка может быть достаточно сложной, см. картинку справа. Обратите внимание на знакомые спиральки и плоские листы, которые задают эту форму. А форма молекулы — это важнейшая деталь: только имея правильную форму, она сможет выполнять свою функцию.

Длинная цепочка аминокислот собирается в белок, но изначально он — просто лента. Далее этот белок сгибается в нужных местах, складывается определённым образом и скручивается, приобретая наконец конкретную трёхмерную форму. Благодаря областям, притягивающимся друг к другу, лента белка сворачивается в трёхмерный объект.

Белок — это инструмент, и его форма должна быть подходящей, чтобы он мог выполнять свою функцию. Один пример мы уже видели: химический рецептор, взаимодействующий с эндорфинами благодаря своей форме. Если бы форма рецептора отличалась, он бы не смог работать: например, эндорфины бы не подходили ему по форме или распределению зарядов, и контакт бы не происходил.

Особенно впечатляющий пример, где от формы протеина зависит его функция, это антитела, которые наш организм вырабатывает к вирусу гриппа. Антитела — это белок, у которого должна быть такая форма, чтобы идеально подходить к вирусу. В таком случае антитело способно соединиться с вирусом и таким образом “пометить” его к уничтожению имунной системой.

См. изображение: слева — белок антитела. Справа — часть вируса гриппа, к которому антитело идеально подходит и соединяется с ним.

Точно так же антитела к коронавирусу определяют вирус: при помощи белка, который совпадает с ним по форме.

Кинезин

Перед вами моторный белок кинезин. Эта удивительная молекулярная машина перемещается вдоль микротрубочек в ваших клетках, и миллионы таких трудятся внутри тебя прямо сейчас. Они способны подцепить нужный груз и тащить его. Они знают, в какой момент нужно остановиться и выгружать. Такие миниатюрные наногрузовички, которые занимаются доставкой полезных веществ и выведением продуктов жизнедеятельности.

Зомбирующий Гриб

Долгоносик на картинке заражён грибком Кордицепс (ophiocordyceps curculionum), также известном как зомбирующий гриб.

У кордицепса более 400 видов, каждый из которых специализируется на заражении одного конкретного вида насекомых. Гриб выпускает споры, которые способны пробивать экзоскелет (панцирь) и контролировать мышцы насекомого. Находясь под управлением грибка, насекомое карабкается на определённую высоту, фиксируется на стволе растения, и потом медленно умирает.

Грибок в это время кормится внутренностями насекомого, пока не будет готово принести плод. Эти большие антенны, выглядящие словно они с другой планеты, и есть плоды грибка: утолщение на конце лопнет и выпустит споры, которые разлетятся и будут искать новые жертвы среди долгоносиков, чтобы точно так же их убить.

Другой вид того же самого грибка специализируется на муравьях. Споры прикрепляются к их экзоскелету и проникают внутрь, растворяя его ферментами и оказывая механическое давление. Попав внутрь, грибок распространяется по всему телу, находя мышцы, и проникая даже в область мозга, где он может контролировать поведение муравья.

Гриб не управляет мозгом, нет. Но он выпускает химические вещества, которые нарушают его работу. В результате у муравья случаются внезапные судороги, и он сваливается на землю. Там он начинает карабкаться по какой-нибудь травинке на комфортную для грибка высоту 26см. На нужной высоте муравей мощно закусывает веточку, и так и остаётся на ней, надёжно зафиксированный собственными челюстями. Мышцы муравья очень быстро атрофируются, и муравей, ещё живой, становится уже не способен ими управлять.

Грибок продолжает кормиться телом муравья до тех пор, пока не даст плоды.

Интересен механизм, управляющий поведением муравья. Грибок, находясь около мозга муравья, выпускает различиные химические вещества, которые воздействуют на него, изменяя поведение. При этом тот же грибок, находящийся около мышечной ткани, выпускает другие химические вещества. То есть, грибок способен определять, около какой ткани он находится. Грибок так же чувствует, жив ли носитель, и когда тот умирает, секреция грибка тоже меняется.

Зомбирующй гриб способен уничтожить целую колонию муравьёв, образуя кладбища диаметром в 20-30 метров.

Сокращение Мышц

Как происходит сокращение мышц?

Плазматическая Мембрана

Каждая живая клетка окружена мембраной. Мы обычно думаем, что это такая оболочка, отделяющая клетку от внешней среды. Но мембрана умеет намного больше, чем кажется на первый взгляд.

Клетке для жизнедеятельности нужнен кислород и питательные вещества, так мембране нужно уметь впускать их внутрь клетки. Но мембрана не должна запускать внутрь всё подряд, а быть избирательной. При этом, в клетке образуются отходы, от которых нужно избавляться, и мембрана должна уметь их выпускать. Но она не должна выбрасывать из себя всё подряд.

Получается, мембрана должна выбирать, что пропускать, а что нет?

Так и есть. Мембрана клетки обладает выборочной проницаемостью: она контролирует проход веществ изнутри наружу, и снаружи вовнутрь, определяя, что и куда может пройти.

Некоторые вещества могут постепенно сочиться сквозь мембрану: например, глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, и прочие. Это пассивная проницаемость. Но есть и активная траспортировка, которую обеспечивают белки, встроенные в мембрану (см. картинку, фиолетовые вставки). Эти белки работают как транспортировочные механизмы, которые прокачивают через себя определённые молекулы: K, Na, Cl, H₂O, и другие. Некоторые из них оперируют постоянно; другие активируются только при получении сигнала.

В мембране также могут быть вставлены ферменты: молекулярные конструкции, которые проводят определённые химические реакции. Например, в кишечнике в оболочку клеток встроены пищеварительные ферменты, которые разлагают сложные сахара на простые, разбирают сложные белки на аминокислоты, и все эти базовые компоненты усваиваются организмом для того, чтобы использовать в собственных клетках. Для того мы и един все эти белки, жиры, и углеводы :)

На поверхности мембраны также есть углеводные “хвостики” (см. картинку, зелёного цвета). Эти поверхностные углеводы выполняют функцию маркеров: это как паспорт, по которому клетки узнают друг друга. В частности, поверхностные углеводы позволяют имунным клеткам опознавать клетки организма, то есть “своих”, и отличать их от “чужих”. Благодаря этому механизму, имунные клетки атакуют чужеродные бактерии, но не трогают клетки “своего” организма.

Так что мембрана — это не просто мешок. Это паспорт клетки. Это избирательный насос. Это поверхность, проводящая химические реакции. И это граница, решающая, что пропустить внутрь, а что нет.

Оказывается, это очень умный мешок.

Почему клетки такие маленькие?

У некоторых писателей-фантастов можно встретить разумных одноклеточных существ. Но как оказывается, существование крупной клетки невозможно из-за нюансов с мембраной.

Проблема в том, что у мембраны ограниченная способность поддерживать клеточный метаболизм (её химические процессы). Так как мембрана имеет выборочную проницаемость, каждый микрометр её площади способен проводить только некоторое количество вещества в секунду. Таким образом, очень важно́ соотношение площади поверхности клетки к её объёму.

С увеличением размера клетки, площадь её поверхности растёт, но растёт медленнее чем объём. В какой-то момент мембрана не сможет проводить достаточно веществ для поддержки всех процессов, происходящих в объёме клетке. Она просто становится слишком большой, и мембрана не будет успевать. (Если закопаться в математику, то вспомним, что объём шара пропорционален кубу его радиуса r³, в то время как площадь поверхности пропорциональна лишь квадрату радиуса r², так что площадь поверхности всегда отстаёт).

Однако клетки не шарики. Есть геометрические хитрости, которые используются для того, чтобы увеличить площадь поверхности. Многие клетки имеют вытянутую форму. У других клеток есть микровилли: такие выступы, похожие на ворсинки: они тонкие, имеют малый объём, но много поверхности.

Для примера взглянем на клетки кишечника, которым нужно оперативно проводить обменные процессы, для чего требуется много поверхности. Во-первых, у тонкого кишечника множество складок. Эти складки шершавые: на их поверхности имеются ворсинки (“вилли”), но это не волоски, а выступы эпителия, в каждом из которых есть капилляры и лимфатические сосуды (см. картинку). Наконец, клетки эпителия также имеют выступы: микровилли, которые ещё больше увеличивают площадь поверхности.

Таким образом, в кишечнике используются геометрические хитрости для того, чтобы увеличить площадь поверхности и эффективно переваривать то вкусное блюдо, которым вы сегодня пообедали.

Клетка окружена мембраной, но это не единственная её мембрана.

Кроме плазматической мембраны, в клетках животных и растений есть множество внутренних мембран, которые разделяют их внутренний объём на выделенные области: органеллы. Благодаря такому разделению, в каждой органелле создаётся своя особая среда для проведения локальных метаболических процессов. Таким образом, в рамках одной клетки могут происходит химические процессы, которые иначе были бы несовместимы друг с другом.

Мы рассмотрели как мембраны имеют выборочную проницаемость, но они так же непосредственно участвуют в химических процессах клетки: в каждую мембрану встроены ферменты, которые способы осуществлять процессы, соответствующие функции конкретной органеллы.

Например, так называемый эндоплазматический ретикулум (на картинке, сразу около ядра, синего цвета) — это целая фабрика биологического синтеза, окружённая мембраной со встроенными в неё ферментами, осуществляющими эти реакции. Они способы производить жиры, гормоны, обрабатывать углеводы, и производить множество других процессов.

Эта же органелла нейтрализует яды, токсины и, к сожалению, некоторые лекарственные средства. Чувствуя увеличение концентрации лекарственного средства, эндоплазматический ретикулум разрастается, увеличивая число ферментов противостоящих веществу, и лучше справлясь с “обезвреживанием” лекарства.

Вот почему эффективность лекарства может падать со временем. По той же причине организм можно малыми дозами “приучить” к ядам, как это делали некоторые люди прошлого.

Человеку, долго не пившему алкоголь, даже пиво легко “даст в голову”, потому что его эндоплазматический ретикулум был не готов. Но через буквально несколько вечеров, он разрастётся в нужном месте, увеличив свою способность перерабатывать алкоголь, и сможет справиться с поставленной задачей.

Давайте взглянем как другие мембраны в клетке участвуют в секреции.

Секреция — это выделение жидкости клеткой вместе с растворёнными в ней веществами. Например, это пот, слизь, слюна, слёзная жидкость. Это не просто жидкость: в ней, например, находится белок лизоцим, способный разрушать клеточные стенки бактерий. Да, наши слёзы и сопли имеют антибактериальное действие :)

Давайте проследим, как происходит секреция внутри клетки.

Взгляните на ядро: это большая фиолетовая структура в центре (см. картинку). Именно там находится ДНК, в котором закодированы инструкции по производству всех белков в нашем организме, включая те которые мы сейчас будем сопровождать.

Ядро окружено двойной мембраной, в которой предусмотрены поры для того, чтобы информация из ДНК могла покидать ядро. Каждая пора — это не просто отверстие: это хитрое сплетение десятков белков, которые способны детектировать крупные молекулы с помощью специальных сигнальных последовательностей и активным образом осуществлять транспортировку этих молекул сквозь себя. Получается такой шлюз со сканером. У него потрясающая производительность: каждая пора способна детектить и пропускать 1000 крупных молекул в секунду!

Так, в ядре делается копия участка ДНК, отвечающего за определённый белок, и эта копия через пору проходит в эндоплазматический ретикулум (см. рисунок, синего цвета). В его мембрану встроены рибосомы: это сложные фабрики по производству белков. Копия гена ДНК, только что попавшая в эту область через пору, подцепляется к рибомоме, и начинается считывание инструкций по сборке белка. Одну за одной, рибосома соединяет аминокислоты в последовательность, указанную в коде ДНК.

Когда белок собран, он готов к отправке, и для этого у эндоплазматического ретикулума есть интересный метод транспортировки: формирование пузырьков, называемых везикула (см. картинку, схема справа). Участок мембраны выгибается, захватывает в себя горстку свежесобранных белков, и его шейка “перетягивается” особым моторным белком, словно завязанный воздушный шарик. Такой пузырёк теперь может путешествовать по клетке, и его содержимое полностью изолировано. Доставка контейнерами, не меньше.

Многие пузырьки, вместе с грузом, отправятся в аппарат Гольджи: это сортировочный центр клетки, сделанный из системы мембранных мешочков. Наш пузырёк сливается с ним, выпуская свой груз в аппарат Гольджи, где белки могут дорабатываться. По завершению сортировки и обработки, готовые белки снова заключаются в пузырёк-везикулу, и направляются к внешней мембране клетки.

Помните анимацию, где моторный белок тянул пузырёк? Именно так и происходит транмпортировка везикул: они не плавают сводно. Это грузовой контейнер, и его тащит за собой небольшой молекулярный грузовичок, точно в заданном направлении.

Так работает секреция: когда вам вкусно, в слюнной железе машинерия многих клеточек делает копии ДНК, формирует белки из аминокислот, оборачивает их в пузырьки, которые подхватывают моторные белки и бегом несут их к внешней мембране, чтобы высвободить их в вашу ротовую полость.

Лизосома

Как клетки остаются молодыми?

В клетке есть механизмы, позволяющие ей обновлять свои компоненты: разобрать их полностью и собрать заново. Это кстати тот же самый механизм, которым питаются одновлеточные организмы.

В клетках есть пищеварительные ферменты, которые способны расщеплять сложные молекулы (углеводы, жиры, и белки) на простые составляющие, которые клетка может использовать в своих процессах. Но для того, чтобы эти ферменты могли действовать, им требуется кислотная среда. Такая среда была бы опасна для самой клетки, и пищеварительные ферменты могли бы нанести ей вред изнутри, поэтому все эти агрессивные компоненты заключены в ёмкость и надёжно изолированы от остальных частей клетки. Этот опасный пищеварительный мешочек называется лизосома.

Лизосомы используются для переваривания частичек пищи, когда они попадают внутрь. Одноклеточные огранизмы, простейшие, питаются так: они окружают частичку пищи со всех сторон, смыкая вокруг неё свою мембрану, и формируют пузырёк: пищевую вакуоль (см. картинку, слева). К этому пузырьку приближается лизосома и сливается с ней в одно, выпуская пищеварительные ферменты.

Во время этого пищеварительного процесса сложные молекулы расщепляются на простые. Как мы помним, углеводы — сложные полисахариды, состоят из простых сахаров, таких как глюкоза, фруктоза, и других. Белки расщепляются на отдельные аминокислоты. В итоге всё, из чего состояла пища — например, какая-то незадачливая маленькая клеточка, — будет разобрано на компоненты, которым найдётся примерение в клеточном хозяйстве.

Лизосомы также используются для переработки частей клетки: это процесс, называемый автофагия (с греческого autos — сам себя, phagos — поедающий). Например, когда какая-либо органелла оказывается повреждена, запускается процесс, в котором эта органелла окружается двойной мембраной (см. правую картинку). Что любопытно, науке до сих пор неизвестно, откуда эта мембрана берётся и как она так красиво окружает нужную органеллу. С этим мембранным “мешком” потом сливается лизосома и выпускает пищеварительные ферменты, которые расщепляют органеллу на простые молекулы.

После такого пищеварения простые молекулы высвобождаются в цитоплазму клетки и могут быть использованы заново. Из этого материала, например, может быть построена молодая органелла, которая заменит собой старую, повреждённую.

С помощью этого механизма клетка постоянно обновляет сама себя. Например, клетки вашей человеческой печени обновляет половину всех своих макро-молекул каждую неделю!

Амёба

Макрофотография амёбы. В её теле будто целая вселенная заключена.

Амёба кушает.

В прошлый раз мы рассмотрели фагоцитоз: процесс, в котором одноклеточное обволакивает кусочек пищи, и расщипляет его ферментами, находящимися в лизосоме.

На этом видео амёба, одноклеточный организм, кушает инфузорию. Амёба выпускает ложноножки и обступает незадачливую инфузорию со всех сторон.

На видео хорошо видно, как перетекает цитоплазма: внутреннее вещество клетки.

https://youtube.com/watch?v=mv6Ehv06mXY

Ещё больше одноклеточной жестокости :)

Вакуоль

Почему растения вянут, если их не поливать?

В клетках растений есть центральная вакуоль: такой большой пузырь со стенкой-мембраной, внутри которого находится клеточный сок. Эта ёмкость — основной запас воды и растворённых в ней неорганических веществ.

Растения не могут ходить за водой, поэтому во время дождя им нужно запасти как можно больше воды. Когда растение пьёт воду, излишки запасаются внутри этой центральной выкуоли. Эта вакуоль может увеличиваться до весьма больших размеров: вплоть до того, что вся остальная клетка превращается лишь в тонкий слой цитоплазмы, зажатый между огромной центральной вакуолью и плазматической мембраной (клеточной стенкой).

Когда дождя уже нет, растению для жизни всё равно нужна вода, и оно использует запасы из центральной вакуоли, которая, естественно, начинает уменьшаться по мере расхода воды. Когда вакуоль сильно уменьшается в размерах, растение становится “подвядшим” потому, что во всех клетках растения центральные вакуоли сдулись и стали словно вялые воздушные шарики, от чего все клеточки “скукожились”, и растение поникло.

Но стоит его хорошенько полить, оно снова наберёт воды и воспрянет :)

Реснички на поверхности ваших лёгких

Почему в наших лёгких не скапливается пыль?

Лёгкие умеют поддерживать себя в чистоте и избавляться от мелкого мусора: у нас для этого есть специальный механизм, который работает, а мы даже и не замечаем :)

На поверхности дыхательных путей находятся реснички: небольшие волоски которые совершают возвратно-поступательное движение; то есть, машут вперёд-назад :) Этим движением они, как маленькие вёсла, гребут слизь, в которой застревает пыль и всякие лишние частицы, попадающие в лёгкие. Благодаря работе ресничек эта слизь движется вверх, где достигает горла, и мы её откашливаем.

Так ваши лёгкие самоочищаются. Совместным движением многих маленьких ресничек.

В человеческом организме такие гребущие реснички есть и в одном месте: в маточных трубах, где они выстилают поверхность слизистой и продвигают яйцеклетку к матке.

Реснички также есть у некоторых одноклеточных организмов: множество ресничек на поверхности такой клетки совместно гребут жидкость и позволяют клетке продвигаться вперёд.

Реснички и Жгутики

Некоторые клетки перемещаются в жидкости с помощью ресничек, но у некоторых клеток есть инструмент посерьёзнее: жгутик, такой длинный хвост, который изгибается из стороны в сторону, как рыбкин хвост (см. картинку, слева). Например, такой жгутик есть у семенных клеток.

Оказывается, жгутик не так прост: это удивительный молекулярный механизм.

На срезе жгутика видно, что он состоит из продольных микротрубочек (см. картинку справа, жёлтого цвета), которые расположены парами вокруг центральной оси — в виде так называемой “структуры 9+2”, характерной для многих организмов: 9 пар микротрубочек по периметру, одна пара по центру. Все эти микротрубочки соединены эластичными белками (см. картинку справа, синие связки).

Жгутик умеет изгибаться весь, целиком. Для этого там установлены крупные моторные белки динеины (см. картинку справа, красные ножки). У этих белков есть нога, которая в нужное время проталкивает соседнюю микротрубочку: от этого действия они проскальзывают друг мимо друга, от чего вся конструкция изгибается по всей своей длине.

Действие динеинов синхронизируется химическими сигналами: толчок происходит только с одной стороны жгутика. Когда координирующий сигнал меняется, активируется противоположная сторона жгутика, динеины проталкивают трубочки, и жгутик изгибается в противоположную сторону.

Так сигналы сменяют друг друга, и жгутик изгибается, взмахивая то влево, то вправо. В результате получается движение как у рыбьего хвоста, который позволяет клетке двигаться через жидкость.

Внизу посередине можно увидеть, как выглядит этот белок-динеин, осуществляющий проталкивание: его основа присоединена к одной микротрубочке (сверху), а его “нога” отталкивает соседнюю микротрубочку (снизу).

Но это картинка. А самое восхитительное — полюбоваться на эту механику в действии :)

TODO: translate video

Фитонциды

Цветки, листья, и корни растений выделяют фитонциды: вещества, убивающие микроорганизмы и подавляющие их рост. Фитонциды играют важную роль в иммунитете растений: они сокращают численность вредных для растения бактерий, и даже стимулируют жизнедеятельность полезных микроорганизмов и насекомых. Так растения защищаются от гниения (вызываемого микроорганизмами) и поедания насекомыми.

Фитонциды содержатся не только в самих растениях, но и в лесном воздухе. Гектар соснового бора выделяет около 5-ти килограммов летучих фитонцидов в сутки, а можжевеловый лес — около 30-ти килограммов! По этой причине в хвойных лесах воздух практически стерилен, а в воздухе нехвойных лесов и парков содержится в 150-200 раз меньше микробов, чем в городском воздухе.

Фитонциды чеснока, лука, хрена, красного перца и некоторых специй убивают многие виды простейших, бактерий и низших грибов за минуты. Препараты этих растений используются в медицинской практике для лечения гнойных ран, язв, воспалительных процессов. Фитонциды широко используются в русской, украинской, корейской, китайской, и японской медицине, а также в ароматерапии и альтернативных видах медицины.

Фитонцидные свойства растений были открыты в 1929 году видным советским исследователем профессором Б.П. Токиным. Ученый измельчал свежие листья различных деревьев, натирал на терке хрен или редьку, лук или чеснок, смешивал их с водой и наблюдал под микроскопом, как ведут себя бактерии и простейшие, живущие в этой воде. Они на глазах меняли характер своего движения, форму тела и наконец погибали. Так было открыто действие фитонцидов растений. Сейчас известно более 5000 веществ, которые растения используют для своей защиты от паразитов и вредных микроорганизмов.

Летучие фитонциды способны проникать через легкие и кожу в организм человека, где они не только затормаживают развитие болезнетворных бактерий, но и, по некоторым данных, оказывают положительное влияние на здоровье.

Гуляйте чаще :)