Тема 6. Клеточная теория

1.  О чем может свидетельствовать принципиальное сход­ство химического состава и строения клеток расти­тельного и животного организма?

2. О чем может свидетельствовать наличие различий в строении и, функционировании клеток растений и животных?                             ,

3. Предположим, что Т. Шванн и М. Шлейден не смог­ли сформулировать основные положения клеточной теории. Как это отразилось бы на развитии биологи­ческой науки? Дайте аргументированный ответ.

4. Как будет влиять понижение температуры окружа­ющей среды на интенсивность обмена веществ у теп­локровного и холоднокровного животного? Докажите свою точку зрения, приведите необходимые примеры.

5. Рассмотрите схему, характеризующую обмен веществ и энергии у растительного организма. Какие внешние условия необходимо создать, чтобы активизировать процесс фотосинтеза у растений?

6. Известно, что в спальне не должно быть слишком много растений, так как при этом ухудшается кис­лородный режим в помещении. Известно также, что растения при фотосинтезе выделяют кислород, обо­гащая им окружающий воздух. Не кажутся ли вам эти факты противоречащими друг другу? Почему?

7. Глюкоза хорошо растворима в воде, а крахмал — практически нерастворим. В какие периоды жизни растения (и в связи с какой ситуацией) будет активи­зироваться процесс превращения крахмала в глюкозу?

8. Известно, что в пищеварительном тракте человека животная пища переваривается быстрее, чем расти­тельная. Как это можно объяснить?

9. Предположим, что у клетки появился поверхност­ный аппарат, полностью изолирующий ее содержи­мое от внешней среды. Какие преимущества и какие трудности при этом возникли бы? К каким послед­ствиям для самой клетки привело бы это событие?

10. Далеко не все белки после денатурации способны снова приобрести утраченную ранее структуру. Как это можно объяснить? Дайте аргументированный ответ.

11. Чем можно объяснить тот факт, что гиалоплазма наземных позвоночных животных по своему солево­му составу близка к морской воде?

12. В чем заключается неразрывное единство процессов ассимиляции и диссимиляции, протекающих во внут­риклеточной среде?

13. Есть мнение, что автотрофное питание более выгод­но, чем гетеротрофное. На чем может быть основано это мнение? Если эта точка зрения является исти­ной, то почему же все ныне живущие организмы не являются автотрофными?

14. Почему биосинтез белка происходит в цитоплазме, а не в ядре, где находится необходимая для этого ДНК?

15. Почему молекула ДНК не транспортируется из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка? Ведь в этом случае не нужна была бы молекула-посредник — ин­формационная РНК!

16. Существует удивительное разнообразие видов бел­ков. Объясните причины этого разнообразия. Дайте аргументированный ответ и приведите необходимые примеры.

17. По одной молекуле информационной РНК, пришед­шей из ядра клетки, друг за другом движется не­сколько рибосом. Одинаковый ли аминокислотный состав будут иметь в конечном итоге синтезируемые ими белковые молекулы? Одинаковой ли будет после­довательность аминокислот в этих молекулах? По­чему вы так думаете?

18. В какой -ситуации может возникнуть особая потреб­ность в белке у клетки? Что означает фраза, «био­синтез белка в клетке активизировался»? Что конк­ретно при этом должно произойти в клетке?

19. Рибосома закончила процесс сборка белковой моле­кулы в соответствии с информацией, заключенной в одной из молекул информационной РНК. Затем она начала синтез белка по новой молекуле и-РНК» только что пришедшей в цитоплазму из ядра. Будет ли но­вая молекула белка такой же по составу, количеству и последовательности аминокислотных звеньев, как и предыдущая белковая молекула, только что синтези­рованная данной рибосомой? Проанализируйте ситу­ацию и дайте обоснованный ответ. Достаточно ли дан­ных в условии задания, чтобы однозначно ответить на поставленный вопрос? Почему вы так думаете?

20. Всем ли клеткам наличие плазматической мембра­ны придает стабильную форму? Почему? Приведите необходимые примеры.

21. Какие функции не смогла бы выполнять плазмати­ческая мембрана, если бы в ее состав не входили белки?

22. Почему одни клеточные органоиды имеют мембран­ное строение, а другие — нет?

23. Известно, что гиалоплазма осуществляет взаимосвязь между разными органоидами клетки. Что конкрет­но следует понимать под этой фразой? Каким обра­зом может осуществляться эта взаимосвязь? Приве­дите необходимые конкретные примеры.

24. Представьте, что в клетках организма прекратилось образование лизосом. К каким последствиям и поче­му это могло бы привести?

25. Что может произойти, если повредится мембрана одновременно у нескольких лизосом и их содержи­мое окажется в гиалоплазме клетки? Почему вы так думаете?

26. Почему именно в семенах, плодах и клубнях расте­ний накапливается большое количество включений в виде углеводов и жиров?

27. Два одинаковых по размерам фрагмента эндоплазматической сети в конкретный промежуток време­ни синтезируют разное количество органических ве­ществ. С чем могут быть связаны эти различия? Проанализируйте разные ситуации и дайте обосно­ванный ответ.

28. Почему внутренняя мембрана митохондрий имеет выросты (кристы)? Что изменилось бы в работе ми­тохондрий, если бы крист не было?

29. С одинаковой ли скоростью протекает синтез угле­водов в растительной клетке в разные моменты ее жизни? Почему вы так думаете? Приведите необхо­димые примеры. ^\

30. Как можно объяснить тот факт, что митохондрий и пластиды обладают собственной ДНК, а другие органоиды клетки ее не имеют?

31. Почему лежащий долгое время на свету клубень кар­тофеля зеленеет?

32. Чем можно объяснить изменение окраски листьев деревьев в осеннее время?

33. Какое биологическое значение имеют складки мемб­раны внутри хлоропластов? Почему нельзя обойтись без них?

34. Почему рибосомальная РНК синтезируется в ядре, а митохондриальная — в митохондриях?

 

• Краткие ответы на наиболее трудные вопросы к теме 6

 

1. Принципиальное сходство строения и химического состава клеток растений и животных указывает на общность их происхождения, вероятно, от однокле­точных водных организмов.

2. Животные и растения далеко отошли друг от друга в процессе эволюции, которая, как известно, сопро­вождается дивергенцией. У них разные типы питания (автотрофный и гетеротрофный), различные способы защиты от неблагоприятных воздействий внешней среды и т. д. Естественно, все это должно было отра­зиться на строении их клеток.

3. Вероятно, положения клеточной теории были бы сформулированы в более поздние сроки каким-либо другим ученым, так как развитие научной мысли рано или поздно должно было бы привести исследо­вателей к этому важнейшему биологическому обоб­щению. Однако были бы потеряны годы или даже десятилетия. Поэтому заслуги Т. Шванна и М. Шлейдена перед наукой очень велики.

6. В ночное время растения осуществляют процесс фо­тосинтеза (а значит — не выделяют в воздух кисло­род), но продолжают дышать, поглощая кислород и выводя из клеток своего организма углекислый газ. Ночью растение обогащает воздух углекислым газом, поэтому в спальне не должно быть слишком много растений.

В дневное же время дыхание (а значит — погло­щение кислорода и выделение углекислого газа) продолжается, но при этом/активно осуществляется и фотосинтез, сопровождающийся противоположным газовым эффектом. При фотосинтезе потребляется го­раздо больше углекислого газа, чем его выделяется при дыхании; выделяется значительно больше кис­лорода, чем его поглощается при дыхании. Из этого следует, что днем кислородный режим в комнате с растениями улучшается.

Из всего вышесказанного очевидно, что приведен­ные в условии задачи факты абсолютно не противо­речат друг другу.

7. Процесс превращения крахмала в глюкозу может' активизироваться, например, в период прорастания семени или начала весеннего сокодвижения у расте­ний. Хорошо растворяемую в воде глюкозу удобно транспортировать в те части растения, где увеличи­вается потребность в энергозатратах. В виде крах­мала энергия, наоборот, запасается растением и мо­жет сохраняться в таком виде длительный срок (например, значительную часть осеннего и весь зим­ний сезон года).

8. Растительная клетка, кроме плазматической мемб­раны, имеет еще и наружную целлюлозную оболоч­ку, защищающую ее от воздействия факторов внеш­ней среды. Эта оболочка труднее (и более длительный срок) разрушается с помощью пищеварительных ферментов, чем плазматическая мембрана животной клетки. Поэтому животная пища переваривается быстрее, чем растительная.

10. При денатурации у белков наблюдается разрушение четвертичной, третичной, а нередко — и вторичной структур. Молекулы белков приобретают облик це­почек (тонких нитей, состоящих из последовательно соединенных друг с другом аминокислотных звень­ев). Если эти нити достаточно длинны, то есть со­стоят из большого числа аминокислотных остатков, они могут переплетаться друг с другом (подобно не­причесанным волосам человека). После окончания периода воздействия на белок фактора, вызвавшего денатурацию, должна наступить их ренатурация, то есть восстановление молекулами полипептида утра­ченных структур. Однако, если нити, состоящие из аминокислотных звеньев, сильно переплетены, рена­турация невозможна. Каждая молекула не в состоя­нии свернуться в спираль, так как «перепутана» с другими такими же молекулами. Следовательно, белки этого вида не способны восстанавливать свою вторичную, третичную и четвертичную структуры после их разрушения под воздействием, скажем, тем­пературы.

Один из подобных примеров общеизвестен. Это — белок куриного яйца, который не способен к ренатурации после воздействия температурного фактора. В противном случае нам бы не удавалось по утрам приготовить себе яичницу: снимаемое со сковородки жареное яйцо моментально превращалось бы снова в сырое. Видимо, это было бы прекрасным поводом для опоздания в школу на уроки.

12. У растений в процессе ассимиляции (пластического обмена) клетка синтезирует органические вещества и запасает энергию. В процессе диссимиляции (энер­гетического обмена) созданное до этого органическое вещество расщепляется, а энергия освобождается и частично используется для жизненно важных про­цессов. Следовательно, в данном случае ассимиля­ция является условием диссимиляции.

У животных органические вещества, поступающие с пищей, подвергаются процессам диссимиляции. Вы­делившаяся энергия, в частности, используется для синтеза АТФ и других органических веществ, спе­цифичных для этого вида животных. Следователь­но, в данном случае диссимиляция является услови­ем ассимиляции.                                              

В клетках и растений, и животных молекулы АТФ то синтезируются (с поглощением энергии), то рас­щепляются (с выделением свободной энергии), и эти превращения являются необходимым условием внут­риклеточного обмена веществ. Следовательно, процес­сы ассимиляции (пластического обмена) и диссимиля­ции (энергетического обмена) находятся в неразрывном единстве и составляют две стороны внутриклеточно­го метаболизма.

13. Автотрофный способ питания не требует активного выслеживания или преследования добычи, особых приемов нападения на жертву или ее умерщвления

х (как это бывает у хищников), миграций в поисках более богатых пастбищ (как это бывает у расти­тельноядных животных), особых анатомо-морфологических приспособлений, позволяющих закрепиться в пищеварительном тракте «хозяина» и препятству­ющих перевариванию с помощью его ферментов (как это бывает у паразитов). Поэтому возникает иллю­зия того, что автотрофное питание всегда более вы­годно для организма, нежели гетеротрофное. Одна­ко, автотрофы также испытывают определенные трудности. Например, фотосинтез не может эффек­тивно осуществляться в условиях низкой освещен­ности. Гетеротрофное же питание, как известно, воз­можно и в темноте, если ночное животное найдет кормовые объекты (что, учитывая его высокую при­способленность к данной ситуации, вполне реально). Отметим также, что фотосинтез характерен для растений, а они, как правило, не способны активно перемещаться в наиболее освещенные места, чтобы активизировать процесс автотрофного питания. По­этому для многих из них в условиях жесточайшей борьбы за свет вышеназванная проблема оказывает­ся весьма серьезной.

В целом же можно заключить, что каждый спо­соб питания имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому нельзя говорить о ярко выраженном пре­восходстве одного из них над другим. Кроме того, наличие автотрофных организмов является услови­ем жизни для питающихся ими гетеротрофных су­ществ. Разложение же тел гетеротрофов приводит к освобождению неорганических веществ, потребля­емых автотрофными организмами. Поэтому очевидно, что все живущие на планете существа в принци­пе не могут быть автотрофными (точно так же, как и только гетеротрофными).

14. Возможны следующие рассуждения учителя или уча­щихся. Белки «работают» преимущественно в цито­плазме клетки, где они выполняют множество функ­ций. Кроме того, если бы белок синтезировался только в ядре, вероятно, возникла бы проблема его транспортировки через мелкие поры ядерной оболоч­ки. Напомним, что белковые молекулы являются полимерами, состоящими из большого количества аминокислотных звеньев, и способны образовывать четыре пространственные структуры.

15. В данном случае возможны следующие рассуждения учителя и учащихся. ДНК является «золотым фондом клетки» — носителем ее наследственной информации, которая должна максимально надежно защищаться от внешних воздействий. Иначе весьма вероятны мута­ции, подавляющее большинство которых при определен­ных условиях понижает жизнеспособность организма.

Когда ДНК находится в ядре, например, живот­ной клетки, она относительно защищена от внеш­ней среды:

а) плазматической мембраной;

б) толстым слоем цитоплазмы;

в) ядерной оболочкой;

г) слоем ядерного сока.

Если бы ДНК находилась непосредственно в ци­топлазме, то она была бы защищена:

а) плазматической мембраной;

б) тонким слоем цитоплазмы.

Таким образом, в первом случае наблюдается че­тыре уровня защиты, а во втором — только два. Зна­чит, молекулы ДНК не должны выводиться из ядра в цитоплазму, чтобы не подвергаться повышенной опасности быть измененными под действием внешних факторов (например, ультрафиолетового излучения). Кроме того, выведение полимерной двухцепочечной молекулы ДНК через мелкие поры ядра в ци­топлазму могло бы быть весьма затруднительным.

13, 14,15. Ответы на эти вопросы носят гипотетический характер и могут иметь неоднозначную трактовку со стороны специалистов. Однако, значение этих вопро­сов и ответов на них в любом случае достаточно вели­ко для процесса развития творческого мышления школьников. Поэтому такие вопросы желательно использовать в работе со старшеклассниками.

18. Особая потребность у клетки в белке может возник­нуть, например, при подготовке к делению, так как белковые молекулы нужны для образования нитей ве­ретена деления, построения перегородки между клет­ками, образования новых ядерных оболочек и т. д.

Активизация процесса биосинтеза белка означает следующее:

а) в ядре клетки синтезируется большее, чем обыч­но, количество молекул информационной РНК;

б) с большего числа генов «переписывается» инфор­мация на строящиеся молекулы информационной РНК;

в) большее число молекул информационной РНК транспортируется из ядра клетки в цитоплазму;

г) большее количество молекул информационной РНК одновременно «обслуживается» рибосомами;

д) в биосинтезе белков задействовано большее, чем обычно, число рибосом;

е) большее количество молекул транспортной РНК переносит аминокислоты к месту синтеза белка;

ж) к рибосомам подносится большее, чем обычно, число аминокислот;

з) в процессе биосинтеза участвует большее, чем обычно, количество молекул ферментов;

и) в единицу времени распадается большее, чем обыч­но, число молекул АТФ;

к) поглощается большее, чем обычно, количество энергии.

19. Данных, приведенных в условии задачи, недостаточно для того, чтобы однозначно ответить на поставлен­ный вопрос.

Бели новая молекула информационной РНК, толь­ко что подошедшая к рибосоме, имеет такие же последовательность и количество нуклеотидов, как и предыдущая молекула информационной РНК, то рибосомой будет синтезирован такой же белок, как и в предыдущем случае.

Если последовательность нуклеотидов и длина мо­лекулы новой и-РНК будут иной (а это значит, что она «переписала» на себя информацию с другого гена), то рибосомой будет синтезирован уже новый белок (с иным составом, количеством и последова­тельностью аминокислотных звеньев).

 26. Известно, что жиры и углеводы являются потенци­альными источниками энергии, которая необходима растению для осуществления различных жизненно важных процессов (например, размножения, роста и развития). Вероятно, поэтому в органах и частях растения, связанных с выполнением функций поло­вого или бесполого размножения, накапливается большое количество этих веществ. Это позволяет за­пасти в удобной для клетки форме энергию, кото­рая понадобится в дальнейшем для роста и разви­тия молодого организма.

Органические вещества, отложенные в семенах и плодах, обеспечат нормальное развитие проростка на самых первых этапах данного процесса. Углево­ды и жиры, накопленные корневищем, клубнем, лу­ковицей, будут использованы растением в дальней­шем при вегетативном размножении. 27. Можно предположить, например, что на этих участ­ках эндоплазматической сети находится разное чис­ло рибосом, или к ним в один и тот же промежуток времени подносится неодинаковое количество ами­нокислот (с помощью молекул транспортной РНК). Возможны и другие причины.

29. Скорость синтеза органических веществ в клетке постоянно меняется в зависимости от ситуации.

Утром и днем процесс фотосинтеза, как правило, осуществляется активнее, чем вечером (по причине разной степени освещенности поверхности листовой. пластинки растения). В солнечный день синтез угле­водов идет быстрее, чем в пасмурную погоду. Летом образование углеводов в процессе фотосинтеза про­исходит обычно быстрее, чем осенью. В клетке так­же работает система саморегуляции биосинтеза бел­ка. При этом учитывается потребность клетки в этом органическом соединении на данный момент и т. д.

30. В соответствии с одной из весьма популярных в науч­ном мире гипотез, давние предшественники современ­ных пластид и митохондрий в историческом прош­лом были самостоятельно живущими одноклеточными прокариотическими организмами, имеющими собственную генетическую информацию и, естественно, способными размножаться. Однако в дальнейшем они проникли в более крупную эукариотическую клетку (или были поглощены ею, но не переварены) и стали выполнять в ней функции органоидов. При этом ми­тохондрии и пластиды сохранили имевшиеся у них до этого собственные нуклеиновые кислоты, обеспе­чивающие их относительную независимость от ядра клетки, проявляющуюся, в частности, в способности к самостоятельному делению.

34. Рибосомная РНК синтезируется в ядре клетки, так как именно там, в ДНК хромосом «записана» гене­тическая информация о ее составе и строении.

Митохондриальная РНК синтезируется в самих этих органоидах, потому что они обладают, собствен­ной генетической информацией, в том числе — о со­ставе и строении этой нуклеиновой кислот,ы. Причи­ны такой автономности митохондрий были рассмот­рены нами в ответе на вопрос 30.