Открытие одноклеточных

Около 3 тысяч лет назад великий древнегреческий целитель Гиппократ предположил, что инфекционные заболевания вызываются живыми микроорганизмами. Но человеческим глазом их обнаружить было невозможно до конца XVII века. Первым, кто открыл одноклеточные организмы, стал Антонио Левенгук, владелец магазина оптики, имевший большой навык в обработке линз. Почти полтысячелетия назад наука сделала огромный шаг вперёд с изобретением им микроскопа.

Левенгук увлёкся изучением образцов через шарообразную линзу при ярком дневном свете, и в один день 1674 года, рассматривая каплю воды из пруда, он заметил подвижные частицы. Это было первое документальное свидетельство наблюдения микромира, недоступного для обнаружения невооружённым глазом. Несмотря на то что Левенгук никогда официально не публиковал свои выводы в монографиях или книгах, он сообщил об открытиях в многочисленных письмах на голландском языке, адресованных Королевскому обществу в Англии. Переписка сохранилась в архиве Лондона. Некоторые факты об открытии Левенгука:

• 17 сентября 1676 года — точный день, когда он сообщил о существовании бактерий.
• Голландский исследователь был первым человеком, определившим размеры наблюдаемых микроорганизмов.

С открытием живой клетки связывают ещё одно имя — Роберта Гука, автора знаменитого закона, известного изобретателя и эрудита. В 1664 году 29-летний учёный получил заказ от научного сообщества на публикацию труда «Микрография, или Некоторые описания тел, сделанные с помощью наблюдений через лупу, и исследования, с этим связанные». Вооружившись сложным многолинзовым микроскопом, Гук изучил кусочек пробки и определил, что её ткань построена из отдельных элементов, которые он назвал клетками.

Спустя некоторое время после обнаружения крошечных существ оказалось, что накопленный список одноклеточных организмов неожиданно велик, требует глубокого изучения и систематики. Так родилась наука, посвящённая исследованию и описанию одноклеточных. Благодаря дальнейшему прогрессу микробиологии человечеству удалось решить две важные загадки:

• воспроизводства жизни;
• природы инфекционных заболеваний.

Определение и описание

К концу 1830-х годов ботаник Маттиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн предложили единую клеточную теорию, В её основе было утверждение, что все живые существа состоят из одной или нескольких единиц жизни — клеток. Согласно теории, новые организмы возникают только из уже существующих путём клеточного деления. Загадка возникновения самой жизни до сих пор не решена, но известно, что первыми существами на планете были одноклеточные, обладающие рядом характерных для всех представителей флоры и фауны признаками. Это:

• Сложная организация. Наделены внутриклеточными структурами, выполняющими раздельные функции.
• Рост. С момента появления увеличиваются в размерах.
• Размножение. Обладают способностью к воспроизводству и передаче генетического материала потомству.
• Реакция на внешнюю среду. Фиксируют раздражители и отвечают действиями на изменения температуры, освещённости, тактильные контакты, химический состав среды и так далее.

Несмотря на то что одноклеточные обладают всеми признаками живых существ, их нельзя поставить в один ряд с вирусами. Последние не считаются организмами. Они являются носителями генетического материала и имеют некоторые другие биологические характеристики, но есть целый ряд причин, по которым их не относят к одноклеточным и даже, согласно многим авторитетным оценкам, к формам жизни вообще, поскольку вирусы:

• не растут;
• не имеют обмена веществ;
• неспособны к самостоятельному воспроизводству.

До 1969 г. биологи классифицировали жизнь на царства (от двух до шести). С 1990 г. учёные договорились о трёхдоменной систематизации из бактерий, архей и эукариотов, в которой лишь последние включают в себя как одноклеточные, так и многоклеточные организмы. Большинство специалистов сейчас используют эту таксономию.

Доядерные формы

Прокариоты — самые простые свободноживущие клетки. Они обладают собственным метаболизмом, способностью к росту и размножению, но их драгоценный генетический материал плавает свободно в жидкости и не заключён в ядро с защитной оболочкой. Кроме того, для них характерно размножение бесполым путём удвоения и разделения клеточного материала.

Обладают возможностью использовать широкий спектр органики и неорганики в обмене веществ, в том числе серы, целлюлозы, аммиака и нитритов. Одно из различий между примитивными и ядерными элементарными организмами — это в каких средах обитают одноклеточные. Прокариоты распространены повсеместно и способны существовать в самых экстремальных условиях. Все их клетки имеют такие общие четыре элемента:

1. Плазменная мембрана. Внешнее покрытие, отделяющее организм от окружающей среды.
2. Цитоплазма. Желеобразная масса внутри, содержащая другие компоненты.
3. ДНК. Генетический материал.
4. Рибосомы. Ответственные за синтез белка органеллы.

Многие из прокариотов заключены в полисахаридную капсулу. Такая оболочка служит дополнительным слоем защиты, помогая сохранять форму и предотвращая обезвоживание. Капсула также позволяет прикрепиться к какой-либо поверхности в окружающей среде.

Некоторые прокариоты наделены жгутиками, используемыми для передвижения. Паразитические формы наделены фимбриями (бахромой) для прикрепления к клетке-хозяину.

Царство бактерий

Бактерии — одни из самых распространённых одноклеточных организмов на Земле. По некоторым оценкам, человеческое тело является домом для 100 триллионов таких существ. Типичные размеры бактерий — несколько тысячных долей миллиметра в поперечнике. Несмотря на то что большая их часть относится к паразитам, многие виды крайне полезны и важны для сельского хозяйства и пищевой промышленности.

Царство бактерий очень разнообразно, классифицируются они множеством признаков. Обобщённо их можно свести в две крупные категории по питанию:

• Автотрофные. Способны синтезировать пищу из неорганических веществ. Этот тип использует углекислый газ для получения углерода. Одни из них применяют фотосинтез, другие питаются неорганикой без помощи солнечного света.
• Гетеротрофные. Тип бактерий, извлекающих энергию только из органических соединений. Гетеротрофы либо секретируют ферменты, необходимые для процесса гниения, либо получают энергию из тканей других живых существ. Среди последних — не только хищники и паразиты, но и прокариоты, способные к установлению симбиотических отношений с хозяином.

В соответствии с требованиями к газообразной среде бактерий делят на аэробные и анаэробные. Первые могут жить и размножаться только в присутствии кислорода, в отличие от анаэробов, которые в нём не нуждаются.

Прокариоты археи

Археи, как правило, похожи по внешнему виду на бактерий. По этой причине их классифицировали раньше в один таксон. Последние исследования показали, что они эволюционировали отдельно от бактерий и филогенетически похожи больше на эукариот. Некоторые археи комфортно себя чувствуют в самых биологически негостеприимных для обитания средах на Земле, имитирующих жёсткие условия, которые были на планете в первое время её существования.

Глубоководные гидротермальные источники, Мёртвое море, соляные и кислотные озёра — до открытия экстремофильных архей такие среды считались неприемлемыми для любых форм жизни. Эти организмы обнаружены также на коже и в пищеварительном тракте человека. Есть несколько признаков, отделяющих архей от остальных одноклеточных организмов:

• Клеточная мембрана состоит из разветвлённых углеводородных цепей, в отличие от бактерий и эукариотов, чьи оболочки скреплены глицерином с помощью эфирных связей.
• Не реагируют на антибиотики, поражающие бактерии, но подвержены воздействию веществ, угнетающих эукариот.
• Содержат РНК, специфичную только для этой группы организмов.

Надцарство эукариот

По определению, эукариотические клетки содержат истинное ядро, окружённое оболочкой. Эта структурная особенность не присутствует у бактерий и архей. В дополнение к этому признаку эукариоты характеризуются многочисленными органеллами, такими как аппарат Гольджи, митохондрии, вакуоли для питания и выделения, другими сложными образованиями. Все эти структуры стабилизированы в цитоскелете, участвующем в отправке сигналов из одной части клетки в другую. Мир эукариот очень разнообразен, главная классификация основана на царствах, к которым они принадлежат, и выглядит так:

• Растения. Уникальны среди эукариот по нескольким причинам. Их относительно толстая клеточная стенка состоит в основном из целлюлозы. Для одноклеточных этой группы характерно наличие большой сократительной вакуоли, управляющей плавучестью. Растительные клетки содержат органеллы, называемые хлоропласты с молекулами хлорофилла. Благодаря такому качеству растения получают энергию из солнечного света, углекислого газа и воды. Пример — одноклеточные зелёные водоросли.
• Грибы. К ним относят организмы из подцарства простейших грибов и дрожжи. Клеточная стенка состоит из хитина (основное вещество экзоскелета насекомых). Характерная особенность строения простейших грибов — многоядерность некоторых видов и наличие перегородок в клетках с отверстиями для прохождения органоидов и цитоплазмы.
• Животные. Клеточные стенки отсутствуют, организмы заключены только в плазматическую мембрану. Это даёт им возможность приобретать различные формы, позволяет питаться с помощью фагоцитоза. Не имеют хлоропластов, содержат несколько маленьких вместо одной большой вакуоли. Характерные представители — амёбы и корненожки.
• Протисты (название произошло от древнегреческого слова, означающего «первейшие»). Способны самостоятельно передвигаться и питаться, переваривая пищу в вакуолях. Некоторые имеют множество ресничек, наделяющих их подвижностью, другие способны перетекать или образовывать ложноножки. В эту группу внесены все организмы, не входящие в первые три. Разнообразие протистов можно оценить по несхожести и экзотичности таких известных представителей, как инфузория-туфелька и эвглена обыкновенная.

Эукариоты представляют собой сложные структуры с множеством органелл. Такое внутреннее устройство нуждается в пространстве, поэтому эукариотические одноклеточные на порядок больше в размерах, чем прокариоты. Одна из главных характерных черт в строении — наличие митохондрий (органелл с набором важнейших метаболических функций). Каждая эукариотическая клетка вмещает от одной до нескольких тысяч митохондрий, в зависимости от уровня потребления энергии.

Эволюционная роль

Хотя происхождение жизни до сих пор загадка, но факт состоит в том, что примитивные протоклетки были предшественниками современных организмов. Ранняя Земля существовала на протяжении многих миллионов лет без атмосферного кислорода. К древнейшим существам относят анаэробных бактерий и архей, не нуждающихся в O2. Вместо него эти организмы использовали в своём метаболизме водород, серу и другие вещества. Осуществляемые ими реакции стали ключевыми элементами многих химических циклов на планете, в том числе азотных и углеводных.

Бо́льшая часть энергии, аккумулируемая биосферой, — солнечная. Её преобразование в органические материалы происходит за счёт фотосинтеза.

Первые фотосинтезирующие бактерии появились около 3,5 млрд лет назад, совершив революцию в атмосфере. Производство ими кислорода вызвало появление эукариотических клеток, которые через некоторое время заняли доминирующее положение в биосфере Земли. Дальнейший эволюционный скачок подобных масштабов связан с ещё одной загадкой для учёных — происхождением многоклеточности у микроскопических животных.