Бактерии, каждая из которых тоже клетка, — еще меньше: в капле воды 40 миллионов бактерий живут так же просторно, как рыбы в пруду.
Но бывают клетки и очень большие. Например, куриное яйцо, вернее — его желток. Это тоже клетка. А яйцо страуса? Или эпиорниса, вымершей гигантской птицы Мадагаскара? Его скорлупа вмещала ведро воды.
Клетки растений и животных в общем похожи. Разница только в том, что у растений оболочки клеток сложены из клетчатки — многомолекулярного сахара. А у животных в основном из липидов — жироподобных веществ.
Молекулы липидов лежат, по-видимому, двумя слоями. Параллельно друг другу, но перпендикулярно плоскости мембраны, клеточной оболочки. Снаружи и изнутри липидная основа покрыта белком, образующим прочные и эластичные сплетения.
Помимо своего чисто механического назначения, клеточная оболочка играет роль очень важного в жизни клетки селективного органа. Она должна пропускать внутрь клетки (и из нее) одни вещества и не пропускать другие.
Какие силы обеспечивают проникновение избранных молекул в клетку?
Прежде всего, конечно, силы диффузии. Живые клетки почти всегда находятся в жидкой среде: в водном растворе разной концентрации и состава. Либо это морская или пресная вода, либо тканевый сок растения или межклеточная жидкость животного. Частицы веществ, растворенных в воде, под действием тепловой энергии стремятся равномерно распределиться в пространстве. Это известно из физики. В соответствии с тем же физическим законом вещества, растворенные в среде, окружающей клетку, проникают через ее оболочку. Если их концентрация внутри клетки мала, а в среде велика, они идут внутрь клетки. Если наоборот — пробираются наружу.
Для некоторых веществ клеточная мембрана может быть непроницаемой. Тогда, если их концентрация в клетке выше, чем вне ее, в нее начнет проникать вода. Клетка разбухнет. Но вода может и уйти из клетки, когда концентрация веществ, которые ее оболочка не пропускает, выше в окружающей среде. Диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану называется осмосом. Диализ — это диффузия молекул растворенного вещества через ту же мембрану.
Обе эти формы диффузии — и осмос и диализ — физическая основа, от которой зависит жизнь клетки.
Вторая сила, помогающая переносу веществ через клеточные барьеры, — электрическая. Многие растворенные вещества диссоциированы на ионы. А клеточные мембраны обычно сохраняют разность потенциалов на своих внутренних и наружных поверхностях. Разность потенциалов побуждает соответствующие ионы мигрировать внутрь клетки.
Наконец, третья сила, принимающая участие в пассивном переносе веществ через мембрану, — это так называемое втягивание. В том случае, когда мембрана пористая, раствор может протекать через нее по порам, как по капиллярам.
Однако этими тремя методами пассивного проникновения поступление веществ в клетку не ограничивается. Цитологи часто наблюдали, как некоторые вещества устремлялись в клетку, так сказать, против воли стихий, описанных выше. Они направлялись в сторону не понижения, а повышения градиентов сил, обеспечивающих пассивный перенос. Значит, при этом совершалась физическая работа. Энергию для нее поставляет клетка.
Примером веществ, концентрация которых в клетке противоречит законам пассивного переноса, могут служить калий и натрий. Во многих клетках калия значительно больше, а натрия меньше, чем в окружающей среде. В эритроцитах калия в двадцать раз больше, а натрия — в двадцать раз меньше, чем в плазме крови. Предоставленные самим себе, и калий и натрий распределились бы равномерно и в плазме и в эритроцитах. А раз этого не происходит, значит в кровяных клетках действует какой-то механизм, который постоянно «накачивает» в клетку ионы калия и «выкачивает» из нее ионы натрия.
Этот механизм до конца еще не изучен. Для его объяснения предложен целый ряд гипотез. Одна из них, получившая название модели Шоу, представляет дело так.
Гипотетические молекулы-переносчики на наружной поверхности мембраны соединяются с ионами калия. При этом они теряют часть энергии, но приобретают способность диффундировать со своим грузом через оболочку внутрь клетки. Здесь, на внутренней ее поверхности, молекула-переносчик отдает в цитоплазму калий и получает от нее энергию. Под действием полученной энергии превращается тут же в переносчика натрия. Соединившись с ним, снова устремляется к наружной поверхности клеточной мембраны. Там отдает натрий и энергию и, снова превратившись в переносчика калия, вместе с ним перебирается на внутреннюю поверхность мембраны. А там опять подхватывает калий, чтобы устремиться с ним внутрь клетки.
Есть еще одна очень интересная форма активной охоты клетки за нужными ей веществами. Это пиноцитоз — питье, или, вернее, заглатывание клеткой окружающей ее жидкости.
Происходит это так. На поверхности клеточной мембраны образуется углубление, которое замыкается в пузырек, или вакуоль. Та отрывается от оболочки и мигрирует внутрь клетки. Впечатление такое, будто клетка действительно пьет раствор, который ее окружает.
Пиноцитозу предшествует адсорбция на поверхности мембраны молекул поглощаемого раствором вещества. Когда его концентрация здесь достигнет определенной нормы, оболочка начинает втягиваться внутрь, образуя пиноцитозную вакуоль.
Некоторые амебы за полчаса успевают «испить» из воды, в которой живут, столько растворенного белка, что весь его вес составляет четверть веса самой амебы до пиноцитозной трапезы.
«Тело» клетки
Форма у клеток разная, но внутренняя анатомия у всех одинаковая. Почти вся полость клетки внутри оболочки заполнена протоплазмой. Она похожа на белок куриного яйца.
Шлейден, доказав, что все растения сложены из клеток, назвал их микроскопическими пузырьками с «растительной слизью». Чуть позже ботаник Моль дал этой первородной слизи имя протоплазмы.
Протоплазма — тело клетки, и тело не простое, а очень сложно устроенное. До сих пор его структура до конца не понята. Разные участки протоплазмы имеют консистенцию и простого раствора и коллоидного студня.
Каких же веществ это растворы?
Прежде всего белков — их в протоплазме 10–20 процентов, 2–3 процента жиров. А сахара — лишь сотая часть. И столько же нуклеиновых кислот и других веществ. Ну, а остальные 76–86 процентов принадлежат, конечно, воде. На одну молекулу белков в протоплазме приходится 18 тысяч молекул воды. Почему так много воды — вполне понятно. Ведь все реакции в клетке протекают в водных растворах. Вода, можно сказать, основной носитель жизни.
Старые ученые с препаратами в руках доказывали, что структура протоплазмы ячеистая, другие говорили — зернистая, третьи — фибриллярная, то есть нитчатая. Все они были правы, и все ошибались.
Протоплазма — очень подвижная система. И в переносном и в буквальном смысле. В зависимости от функционального состояния клетки, от ее возраста, от внешних воздействий она выглядит по-разному. Кроме того, протоплазма всегда в движении, в движении механическом. Она течет в пространстве, замкнутом оболочкой, увлекая с собой в вечной карусели все мелкие органы клеточного тела.
Почти во всех живых клетках в центре протоплазмы лежит более плотное, круглое, овальное, четковидное, подковообразное либо иной формы тельце. Это и есть знаменитое ядро клетки, о котором мы уже не раз упоминали и значение которого столь велико во всех явлениях жизни. В нем, в особых тельцах, называемых хромосомами, скрыты вещества, которые управляют развитием организма.
В клетках животных и некоторых низших растений еще в прошлом веке были открыты центриоли, едва заметные блестящие тельца, и так называемый аппарат Гольджи. Его нашли только у животных. Назначение этого странного органа еще толком не ясно.
Итак, протоплазма, ядро, оболочка, центриоли и аппарат Гольджи — вот основные микрочастицы, которые удалось обнаружить в обычный оптический микроскоп в атоме жизни — живой клетке.
Лучшие оптические микроскопы дают увеличение в 2 тысячи раз. Большего требовать и нельзя, потому что сколько бы их ни усовершенствовали, частицы меньше двух десятых микрона останутся невидимы. Все дело в природе света, который мы пропускаем через оптические системы микроскопа. Физики доказали, что при любой самой совершенной конструкции увеличительного прибора в лучах видимого света можно разглядеть предметы или их детали не более крупные, чем треть длины световой волны. То есть примерно около двух десятых микрона.