Organizację eukariotyczną posiadają komórki zwierząt, roślin, grzybów i pierwotniaków
W poprzednim paragrafie ustaliliśmy, że oprócz komórek eukariotycznych są też komórki prokariotyczne pozbawione jądra i systemu błon wewnętrznych. Organizację eukariotyczną posiadają komórki zwierząt, roślin, grzybów i pierwotniaków (ryc. 13.1). Jednak przedstawiciele tych grup bardzo różnią się od siebie i prowadzą różny tryb życia. Ich komórki z kolei też mają cechy charakterystyczne. W poprzednich paragrafach rozpatrzyliśmy budowę komórki zwierzęcej. Ona nie jest otoczona ścianą komórkową, jej kształt może zmieniać się, niektóre komórki zwierząt wielokomórkowych są ruchome. Komórki zwierząt tworzą między sobą różnego rodzaju kontakty, które łączą je w jednolity organizm. Często obecne są organelle ruchu (wici lub rzęski).
Ryc. 13.1. Różne rodzaje komórek wielokomórkowych i jednokomórkowych eukariotów
A. Erytrocyty żaby. W odróżnieniu od erytrocytów ssaków one zawierają jądro. B. Komórki liścia. Widać liczne zielone chloroplasty, a komórki są otoczone potężnymi celulozowymi ścianami komórkowymi. C. Przekrój owocnika grzyba kapeluszowego. Owocnik utworzony jest zwartą siecią przeplątanych niteczek - zbitymi strzępkami zbudowanymi z komórek otoczonych ścianą komórkową. Nieduża przestrzeń między strzępkami jest wypełniona powietrzem. D. Pantofelek. E. Lamblia. F. Klejnotka.
Komórki roślin wyższych mają swoje osobliwości uwarunkowane trybem życia roślin, a mianowicie nieruchomość i zdolność do fotosyntezy. Komórkę roślin otacza
zwarta ściana komórkowa zbudowana z polisacharydu celulozy (błonnika). Komórka otoczona taką ścianą komórkową jest nieruchoma i nie może zmieniać swego kształtu1. W środku komórki roślinnej znajdują się organelle osobliwego rodzaju - chloroplasty, które biorą udział w procesie fotosyntezy. Nie wszystkie komórki dorosłej rośliny biorą udział w fotosyntezie. Na przykład komórki korzenia przeważnie znajdują się pod ziemią i nie są zdolne do fotosyntezy z powodu baraku światła. Takie komórki zawierają bezbarwne plastydy - amyloplasty (rodzaj leukoplastów), które często wykorzystują się do magazynowania skrobi. Niektóre komórki roślin zawierają chromoplasty - plastydy gromadzące dodatkowe barwniki (pigmenty) i nadające częściom rośliny jaskrawego (czerwonego, żółtego, pomarańczowego) koloru. W środku komórki roślin mieści się jedna lub kilka wodniczek-dużych obłonionych organelli wypełnionych sokiem komórkowym. W dojrzałej komórce wodniczka znajduje się w centrum i zajmuje większą część objętości komórki, wypierając cytopiazmę i jądro na obwód komórki. Większość komórek wyższych roślin (z wyjątkiem plemników) nie posiada organelli ruchu2.
Komórki grzybów mają wiele wspólnego z komórkami zwierzęcymi, jednak są otoczone ścianą komórkową. W odróżnieniu od roślin podstawą ściany komórkowej większości grzybów jest chityna, a nie błonnik. Często ciało grzyba jest siecią rozgałęzionych niteczek (strzępek). Te niteczki mogą być podzielone na poszczególne komórki, jak u borowika lub trufla czarnego, lub być jednolitą nitkowatą wielojądrową strukturą. Takie ciało ma na przykład pleśniak biały - zwykła pleśń na Chlebie. A ot drożdże, które też są grzybami, istnieją w postaci poszczególnych komórek.
Komórki pierwotniaków są bardzo różnorodne. Podstawowa osobliwość polega na tym, że komórka pierwotniaka - to cały organizm, który powinien wykonywać wszystkie ważne życiowo funkcje: odżywiać się, rozmnażać się, poruszać się, znajdować dogodne warunki środowiska. Taka komórka ma bardziej skomplikowaną budowę niż, powiedzmy, komórka wielokomórkowej rośliny lub zwierzęca. Weźmy na przykład komórkę pantofelka. Ona jest okryta licznymi rzęskami, które zapewniają jej poruszanie się w środowisku. Bezpośrednio pod błoną cytoplazmatyczną znajduje się sieć pęcherzyków kształtująca swoistą zwartą błonę: ona nadaje komórce kształtu i wykonuje rolę opory dla rzęsek i innych organelli.
Pantofelek posiada „otwór gębowy” (cytostom), dzięki któremu wchłania cząsteczki pokarmowe, a także zespala się z pantofelkami „przeciwległej płci”3. Wewnątrz pantofelka widoczne są dwie wodniczki tętniące, które zapewniają wyprowadzanie nadmiaru wody nadchodzącej do komórki. Podobnych tworów wielokomórkowe eukarioty nie posiadają.
Na czym polega różnica między zwierzęcą i roślinną komórką?
W tym rozdziale dokonamy charakterystyki porównawczej komórek roślin i zwierząt - dwóch grup eukariotów, które osiągnęły złożoną wielokomórkową organizację (tab. 13.1, 13.2).
1 Ściana komórkowa młodej komórki zawiera mniej błonnika, dlatego ona może rozciągać się, zapewniając wzrost komórki. Zmiana kształtu może też zachodzić na przykład przy powstawaniu włośników. Jednak w odróżnieniu od komórki zwierzęcej te zmiany są powolne, nieobracalne i nie powiązane z przemieszczaniem się w przestrzeni.
2 A w komórkach roślin kwiatowych wici nie ma.
3 Wiele pierwotniaków, u których obserwuje się proces płciowy, ma coś podobnego do płci roślin i zwierząt, lecz „płci" jest nie dwie, a znacznie więcej.
Tabela 13.1. Charakterystyka porównawcza komórki zwierzęcej i roślinnej
|
Składniki komórki |
Obecność w komórc zwierzęcej |
Obecność w komórce roślinnej |
|
Ściana komórkowa |
Nie ma |
Zwarta ściana komórkowa, której podstawą jest błonnik |
|
Cytoszkielet |
Jest. Oprócz mikrotubuli i nici aktynowych obecne są też inne struktury |
Jest. Składa się tylko z mikrotubuli i nici aktynowych |
|
Rybosomy |
Są |
Są |
|
Retikulum endopla-zmatyczne |
Jest |
Jest |
|
Wodniczki |
Są, w postaci wodniczek trawiennych |
Są. Jedna lub kilka dużych wodniczek wypełnionych sokiem komórkowym. Często wodniczki zajmują większą część objętości komórki |
|
Organelle ruchu |
Wici i rzęski. Są i u plemników, i u komórek ciała |
Tylko plemniki mają wici. U roślin kwiatowych wici są nieobecne |
|
Jądro |
Jest |
Jest |
|
Mitochondria |
Są |
Są |
|
Plastydy |
Brak |
Są u większości komórek. Oprócz zielonych chloroplastów są chromoplasty i bezbarwne leukoplasty |
Plastydy - to dwubłonowe organelle komórki roślinnej
Teraz rozpatrzmy niektóre organelle, które są charakterystyczbe dla komórki roślinnej. Bez wątpienia wyrazistym przykładem takich struktur są chloroplasty - organelle, w których zachodzi najważniejszy proces energetyczny - fotosynteza. Budowa chloroplastów (ryc. 13.3) ma wiele wspólnego z budową mitochondriów. One też mają dwie błony: zewnętrzną i wewnętrzną, lecz wewnętrzna błona prawie nie wytwarza wygięć. Wewnętrzna błona otacza zawartość chloroplastu, który nazywa się stromą. W stromie chloroplastu zawarty jest DNA chloroplastu i rybosomy, a także dyskokształtne błoniaste pęcherzyki - tylakoidy. Prawie całą stromę wypełniają tylakoidy, które zwykle są zwarcie upakowane i tworzą grupy przypominające stosy monet. One nazywają się granami. Właśnie w błonie tylakoidów zawarty jest chlorofil i inne pigmenty, które biorą udział w wychwytywaniu energii światła słonecznego i przekształcają ją na energię wiązań chemicznych (czyli fotosyntezie).
Zarówno chloroplasty, jak i mitochondria mają swój aparat genetyczny i aparat syntezujący białko. Istnieje przekonanie, że chloroplasty powstały wskutek endosymbiozy z bakterią fotosyntezującą. Tak więc przodkowie roślin wstępowali w endosymbiozę dwa razy: najpierw otrzymano mitochondria, a potem - chloroplasty. Niektóre chloroplasty w toku specjalizacji zatraciły zdolność do fotosyntezy (przekształcając się w inny rodzaj plastyd) i zaczęły pełnić inne funkcje. Niektóre z nich są wykorzystywane przez komórkę do magazynowania skrobi (na przykład amyloplasty w bulwach ziemniaków). Dla chloroplastów, amyloplastów, chromoplastów i innych podobnych do nich organelli istnieje wspólna nazwa - plastydy.
Wodniczki zawierają sok komórkowy
Jeszcze jedna cech komórki roślinnej - to obecność wodniczki wypełnionej sokiem komórkowym. W komórce roślin jest jedna wielka lub kilka drobnych wodniczek. Sok komórkowy - to roztwór nieorganicznych i organicznych substancji. Wodniczka pełni mechaniczną funkcję: szczelnie wypełniona wodą nadaje komórce sprężystości. Więdnięcie roślin z powodu braku wilgoci związane jest ze zmniejszeniem się objętości wodniczek. Niektóre komórki organizmu roślinnego są zdolne do zmieniania objętości swoich wodniczek, wykonując przy tym ruchy. Do nich należą na przykład komórki zamykające szparki, komórki w liściach muchołówki amerykańskiej i mimozy wstydliwej (ryc. 13.4).
W wodniczkach odkładają się różne substancje. Na przykład w wodniczkach płatków kwiatów gromadzą się pigmenty (barwniki), które nadają kwiatom niebieskiego, purpurowego, fioletowego, różowego, brązowego lub czerwonego koloru. Kolor zależy od kwasowości zawartości komórkowej. Roztwór pigmentów-antocyjanów w środowisku kwaśnym ma czerwony kolor, w obojętnym - niebiesko-fioletowy, a w zasadowym - żółto-zielony.
Ryc. 13.4.. Rośliny wykonują wiele ruchów dzięki zmianie objętości wodniczek komórkowych
A. Szparki
B. Liście muchołówki amerykańskiej
C. Liście mimozy wstydliwej.
Ściana komórkowa komórki roślinnej zbudowana jest z błonnika (celulozy)
Jeszcze jedna charakterystyczna osobliwość komórki roślinnej - to obecność ściany komórkowej, której podstawą jest błonnik1. Błonnik, jak pamiętasz z § 4, jest liniowym polimerem glukozy. Cząsteczki błonnika „sklejają się” między sobą, tworząc mikroskopijne nici, które widzisz na mikrofotografiach (ryc. 13.5, A). Ściana komórkowa nadaje komórce kształtu, chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi (ryc. 13.5. B). Czasem ona znacznie grubieje, jak w tkankach mechanicznych wykonujących funkcję podporową (ryc. 13.5, C, D).
Ściana komórkowa bierze udział w transporcie wody i substancji mineralnych w komórce. Przekazywanie roztworu od ściany komórkowej do ściany komórkowej okazuje się często szybsze niż przekazywanie od cytoplazmy do cytoplazmy. W skład tkanek przewodzących niektórych roślin wchodzą naczynia. Na późnych etapach kształtowania się naczyń komórka-poprzednik obumiera, po niej zostaje tylko ściana komórkowa. Właśnie ten system kapilarny przenosi wodę w roślinie na duże odległości.
Ryc. 13.5. Budowa ścian komórkowych komórek roślinnych
A. Ściana komórkowa rośliny: widać mikroskopijne nici, które są pęczkami cząsteczek błonnika.
B. Zgrubienie ściany komórkowej w tkance mechanicznej młodej łodygi. Komórki magazynujące, widoczne w dolnej części ryciny, mają cienką ścianę komórkową. W górnej części zdjęcia pokazano tkankę mechaniczną ze zgrubieniami ściany komórkowej. C. Grupy komórek ze zgrubiałymi ścianami komórkowymi w miąższu gruszki (komórki kamienne). D. Naczynia i inne elementy przewodzące rośliny kwiatowej (pofarbowano sztucznie).
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Komórkę roślinną podano na rysunku A 1 В 2 C3
D 4 E 5
2
Wśród wymienionych komórek całym organizmem jest 1)kiejnotka, 2) pantofelek, 3) leukocyt, 4) miocyt, 5) komórka jajowa.
A 1 i 2 В 2 і З C 3 i 4 D 4 i 5 E1 І5
3
Błona komórkowa roślinnej komórki składa się z A błony fosfolipidowej i białkowej ściany komórkowej В błony fosfolipidowej i glikokaliksu C błony fosfolipidowej i celulozowej ściany komórkowej D błony steroidowej i chitynowej ściany komórkowej E błony zdrewniałej okrytej warstwą korową
4
Pochodzenie endosymbiotyczne mają takie organelle komórki roślinnej jak A rybosomy В lizosomy C retikulum endoplazmatyczne
D chloroplasty Ewodniczki
5
Wskaż szereg poprawnych podpisów podanych plastyd A 1 - chloroplasty, 2 - chromoplasty, 3 - amyloplasty В 1 -amyloplasty, 2 - chromoplasty, 3 - chloroplasty C 1 - chromoplasty, 2 - chloroplasty, 3 -amyloplasty D 1 -amyloplasty, 2 - chloroplasty, 3 - chromoplasty E 1 - chloroplasty, 2 - amiloplasty, 3 - chromoplasty
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Czy ruchliwość komórek zwierzęcych i roślinnych jest jednakowa? Jak to odzwierciedla się na budowie i funkcjonowaniu wielkiego wielokomórkowego organizmu?
7
Wymień organelle, za pomocą których z pewnością można odróżnić komórkę roślinną od zwierzęcej. Jakie funkcje pełnią te organelle?
8
Jakie cechy budowy mają komórki grzybów? Na jakie grupy dzielą się grzyby pod względem budowy ich strzępek? Wskaż cechy podobieństwa pomiędzy komórkami grzybów a komórkami zwierzęcymi i roślinnymi.
9
Porównaj budowę dwóch przedstawionych organizmów. Wskaż wspólne i odmienne organelle. Wyjaśnij ich obecność z punktu widzenia sposobu życia tych organizmów.
10
Wymień podstawowe rodzaje plastyd. Podaj opis funkcji wymienionych przez ciebie plastyd.
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Zaprezentuj na kilku przykładach różnorodność składu i właściwości soku komórkowego wodniczek.
12
Jak tworzy się celulozowa ściana komórkowa komórki roślinnej? Jakie substancje, oprócz błonnika, wchodzą w jej skład? Jaką rolę one pełnią w strukturze ściany komórkowej?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Dokonaj opisu niezwykłych komórek roślin: największych i najmniejszych, ruchomych i nieruchomych, żywych i martwych, jądrowych i pozbawionych jądra. Wyjaśnij powiązanie między osobliwością komórki i jej funkcją w organizmie roślinnym.
14
Przytocz kilka przykładów jednokomórkowych fotosyntezujących eukariotów. Porównaj budowę ich komórek z budową komórek roślin zielonych. Zwróć uwagę na podobieństwo i różnicę. Spróbuj to wyjaśnić.
Projekt do opracowania w grupie
15
Wyodrębnianie i rozdzielanie pigmentów roślinnych.
A. Otrzymanie mieszaniny pigmentów roślinnych.
1) Umyj i wysusz 3—4 listki dowolnej rośliny.
2) Pokrój je drobno nożyczkami do moździerza i rozetrzyj tłuczkiem.
3) Otrzymaną masę roślinną i sok przenieś łyżką do szklanki.
4) Dodaj kilka mililitrów spirytusu lub płynu do usuwania lakieru z paznokci. Zostaw mieszaninę na 10-15 minut.
5) Przez serwetkę (lub ręcznik papierowy) umieszczoną w lejku odfiltruj otrzymaną mieszaninę do czystej szklanki.
B. Przeprowadzenie papierowej chromatografii pigmentów.
6) Odkrój wstążkę cienkiego papieru (do kawowych filtrów lub od ręcznika papierowego).
7) Nakręć wstążkę na ołówek tak, żeby jej koniec nie dotykał dna czystej szklanki, kiedy ołówek leży na szklance.
8) W odległości 2cm od dolnego końca wstążki nanieś kroplę filtratu. Pozwól zielonej kropli wyschnąć i nanieś na to samo miejsce jeszcze jedną kroplę. Powtórz czynność jeszcze 2-3 razy.
9) Nalej do szklanki benzyny, nafty lub płynu do usuwania lakieru z paznokci tyle, żeby wysokość nalanej cieczy sięgała około 1 cm.
10) Opuść nawiniętą na ołówek wstążkę z zieloną plamą do szklanki tak, żeby ta wstążka nie dotykała ścianek, ale jej koniec był zwilżony w cieczy. Nie dopuszczaj zwilżenia zielonej plamy!
11) Przykryj szklankę, żeby ciecz nie wyparowywała i zostawją na 20-40 minut. Obserwuj, jak plama, poruszając się ku górze, rozdziela się na różnokolorowe komponenty.
C. Ocena wyników i podsumowanie.
12) Wyciągnij wstążkę ze szklanki, kiedy plama przesunie się do górnej krawędzi papieru. Wysusz ją.
13) Zaznacz ołówkiem kolorowe smugi na papierze, które odpowiadają różnym pigmentom:
• najniższa smuga - żółto-zielony chlorofil b;
• następna smuga - zielony i niebiesko-zielony chlorofil a;
• jeszcze wyższa smuga - żółte ksantofile;
• najwyższa smuga -żółto-pomarańczowe karotenoidy.
14) Wyjaśnij, dlaczego różne pigmenty poruszają się z różną prędkością w tym rozpuszczalniku.
15) Spróbuj otrzymać i rozdzielić podobnym sposobem mieszaninę pigmentów z kwiatów, jagód i niezielonych liści roślin. Porównaj wyniki.
Dodatek V (ciąg dalszy)
Teoria endosymbiozy: chloroplasty
Odkrycie chloroplastów zwykle jest przypisywane Juliusowi von Sachsowi - „ojcu fizjologii roślin”. W roku 1884 Edward Strasburger zaproponował nazwę „chloroplasty”, która przyjęła się w biologii.
Współcześnie uważa się, że chloroplasty pochodzą od sinic (cyjanobakterii). Cechą charakterystyczną sinic jest fotosynteza z chlorofilem a i b i wydzielanie tlenu - taka sama jak i u roślin lądowych. Sinice mają dwie błony: wewnętrzną i zewnętrzną, między którymi rozmieszczona jest ściana komórkowa. Sinice mają złożony system błon i obłonionych pęcherzyków, które analogicznie do podobnych struktur w chloroplastach nazywają się tylakoidami.
Wskutek pierwszego endosymbiotycznego zdarzenia około 1,6mld lat temu sinica była pochłonięta przez eukariota. Tak powstał pierwotny chloroplast. Ponieważ podczas wchłaniania powstaje pęcherzyk obłoniony, który ogranicza dwubłonową sinicę, to taki chloroplast powinien mieć trzy błony. Ale pierwotne chloroplasty posiadają tylko dwie błony. Obecnie uważa się, że trzecia błona (pęcherzykowa) była utracona, a zewnętrzna błona chloroplastu odpowiada jej u sinic.
Potem powstały trzy główne typy chloroplastów: chloroplasty glaukofitów, chloroplasty zielenic i roślin lądowych oraz chloroplasty krasnorostów. Wszystkie trzy typy pierwotnych chloroplastów są ograniczone dwiema błonami.
Osobliwość plastyd polega na tym, że w ewolucji eukariotów zdarzenia endosymbiotyczne zachodziły kilkakrotnie. To znaczy, że różne eukarioty otrzymywały plastydy, traciły je i znów otrzymywały wskutek endosymbiozy.
Jeżeli glon z pierwotnym chloroplastem ograniczonym dwoma błonami będzie pochłonięty przez inny glon, to powstanie chloroplast wtórny ograniczony czterema błonami. Cały ten proces nazywa się wtórną endosymbiozą. Chloroplasty kryptomonad nawet zachowały szczątki jądra należące do pochłoniętego krasnorostu.
Chloroplasty euglenid powstały tak: przodek klejnotki pochłonął zielenice. Wskutek tego powstał chloroplast z trzema błonami (zewnętrzna była utracona).
Chloroplasty pochodzące od krasnorostów są bardziej rozpowszechnione niż pochodzące od zielenic. Takie chloroplasty są na przykład u okrzemek, brunatnie, chryzofitów i różnowiciow-ców. Sporowce zawierają szczątki chloroplastów pochodzących od krasnorostów - apikiplasty. Najbardziej znanym sporowcem jest czynnik chorobotwórczy malarii - zarodziec malarii. Wyobraź sobie! Chorobę, która zabiera corocznie życie milionów, wywołuje organizm, którego przodkowie byli glonami, dokonywali fotosyntezy i nawet nie myśleli o tym, by żyć w środku krwinek, odżywiać się ich zawartością i powodować napady febry.
Jednak najbardziej wyróżniające się nosiciele chloroplastów (którzy są potomkami krasnorostów) - to bruzdnice. Te glony powodują świecenie się wody (nocoświetliki), a także czerwone przypływy - zakwity, przy których woda nabiera krwawo-czerwonego koloru. Bruzdnice mogą mieć różne typy chloroplastów, pochodzących od różnych glonów, które same otrzymały chloroplast wskutek pochłaniania glonu. Takie zjawisko nazywa się trzeciorzędową endosymbiozą.
Komórka Dinoflagellata kryptopterydia zawiera chloroplast ograniczony pięcioma błonami. Ten chloroplast - to pochłonięty kiedyś okrzemek, który sam posiada chloroplasty pochodzące od krasnorostów. Jądro okrzemka nie zniknęło, on nawet zachował własne mitochondria. Oprócz tego w komórkach kryptopterydia zachowały się jeszcze własne wtórne chloroplasty. Tak więc jedna komórka zawiera dwa różnych jądra eukariotyczne, dwa różne typy chloroplastów i dwie różne grupy mitochondriów!
Można powiedzieć, że symbiotyczne pochodzenie chloroplastów jest tak oczywiste z ich struktury, że żadnych wątpliwości nie może być. Jeżeli chloroplasty nie powstawały wskutek endosymbiozy, należałoby przypuścić, że różne grupy eukariotów wynalazły swoje chloroplasty niezależnie co najmniej 15 razy. Otóż rozumienie ewolucji chloroplastów odgrywa ważną rolę w ustanoweniu nieprostych ewolucyjnych stosunkków między eukariotami.
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow