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.
Предоставленные самим себе, и калий и натрий распределились бы равномерно и в клетке и в окружающей среде. А раз этого не происходит, значит, в 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 амёбы за полчаса успевают «испить» из воды, в которой живут, столько растворенного белка, что весь его вес составляет четверть веса самой амёбы до пиноцитозной трапезы.
Форма у клеток разная, но внутренняя анатомия у всех одинаковая. Почти вся полость клетки внутри оболочки заполнена протоплазмой. Она похожа на белок куриного яйца.
Протоплазма (цитоплазма) — 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.
Из каких же веществ эти растворы?
Прежде всего из белков — их в протоплазме 10–20 процентов, затем жиров — 2–3 процента, 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 прямом и в переносном 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.
«В цитоплазме расположена сложная система мембран, образующая в совокупности эндоплазматическую сеть. На части мембран расположены мельчайшие, состоящие из рибонуклеиновой кислоты и белков гранулы — рибосомы. Часть мембран образует систему, называемую аппаратом Гольджи. Функциональное назначение этого органоида заключается в том, что в области аппарата Гольджи концентрируются различные вещества. В цитоплазме располагаются мелкие, одетые мембраной зернистые образования — лизосомы. В них локализуются ферменты, связанные с расщеплением крупных молекул органических соединений в процессе обмена» (Ю. И. Полянский).
Почти во всех живых клетках в центре протоплазмы лежит более плотное, круглое, овальное либо иной формы тельце. Это и есть знаменитое ядро клетки, значение которого велико во всех явлениях жизни. В нем, в особых тельцах, называемых хромосомами, скрыты вещества, которые управляют развитием организма.
Во всех типах простейших есть виды не с одним ядром, а со многими. У некоторых амёб их четыре или восемь, а среди солнечников известны виды более чем со 100 ядрами! У некоторых протозоев и хромосом очень много: сотни, а у радиолярий даже тысячи!
В клетках животных и некоторых низших растений еще в прошлом веке были открыты центриоли — едва заметные блестящие тельца — и так называемый аппарат Гольджи. Назначение этого странного органа еще не вполне ясно.
Итак, протоплазма, ядро, оболочка, центриоли и аппарат Гольджи — вот основные микрочастицы, которые удалось обнаружить в обычный оптический микроскоп в атоме жизни — живой клетке.
В 1932 году немцы Кюлл и Руски изобрели электронный микроскоп. В нем вместо стеклянных линз линзы электромагнитные, а вместо света течет поток электронов. Предметы, которые хотят увидеть, рассматривают на экране, похожем на экран телевизора. Электронный микроскоп дает полезное увеличение в 300 тысяч раз. И это не предел.
Электронный микроскоп
И вот, вооружившись электронным микроскопом, биологи стали искать и нашли в клетке еще несколько важных ее органов, или, как говорят, органелл, которые прежде были заметны лишь в виде точек либо совсем не видны. Теперь же не только сами эти сверхмалые частицы жизни, но и внутренняя их структура стали доступны наблюдению.
Схема клетки с органеллами, увиденными в электронный микроскоп
Митохондриями назвали эти поперечно-полосатые тельца. Они есть во всех клетках. И в не малом числе: обычно их около тысячи или несколько тысяч. Роль митохондриев очень ответственна. Они «энергетические станции» жизни. Без них клетка мертва и бездеятельна, как машина без горючего. Митохондрии преобразуют энергию химических связей в энергию жизни. Без шума, без нагрева и без давления сжигают митохондрии топливо жизни, в удобных «расфасовках» передают заключенную в нем энергию другим органеллам клетки. И те оживают, получив горючее.
В энергетических установках, созданных человеком, все не так: там грохот машин, жар печей, громады труб.
Пламя, которое пылает в митохондриях, не жжет. Работают они бесшумно и очень продуктивно: более 50 процентов энергии окисленного топлива идет на полезные дела, совершающиеся в клетке. В технике нет ни одной машины, которая работала бы с такой отдачей. Обычно лишь одну треть тепловой энергии горючего удается людям превратить в своих машинах в полезную работу.
Растения, счастливые обладатели хлорофилла, в буквальном смысле слова питаются солнечным светом и воздухом. Вернее, углекислым газом, извлеченным из воздуха. Процесс этот называется фотосинтезом — созиданием с помощью света.
Из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды создают растения одну молекулу глюкозы. Глюкоза соединяется с глюкозой. Шесть тысяч молекул образуют одну полимерную молекулу крахмала. Зерна крахмала, запасенные растениями в своих тканях, главным образом в клубнях и семенах, и есть необходимые для всего живого на Земле «солнечные консервы». В них в виде химических связей молекул глюкозы поймана и аккумулирована энергия Солнца. Каждый год зеленые одеяния наших материков улавливают и консервируют столько энергии Солнца, сколько могут дать 200 тысяч мощных электростанций, таких, как Куйбышевская. Два квадрильона киловатт-часов!
Эта энергия питает все живые клетки, все живые организмы — от вируса до человека (кроме некоторых хемотрофных бактерий, которые живут за счет химической энергии неорганических веществ). Это, если можно так сказать, валовая энергия жизни, потому что ее с избытком хватает не только для существования самих растений, но и для всех животных, которые, не имея хлорофилла, вынуждены для поддержания жизни заимствовать энергетические ресурсы у растений. А те берут их у Солнца. Значит, все мы, живые существа, в конечном счете «едим» солнечный свет.
Что такое свет, первоисточник энергии, питающей жизнь? Шутники говорят, что свет — самое темное место в физике.
Действительно, много в его природе удивительного и непонятного. Однако физики неплохо в нем разобрались. Свет — это поток мельчайшей из микрочастиц, из которых в конечном итоге сложены все атомы, весь мир. Фотон — имя этой частицы. Называют его и квантом света. Частица без заряда, без массы покоя — сплошной сгусток энергии в минимальной расфасовке.
Когда свет, иначе говоря фотоны, падает сквозь полупрозрачную кожицу листьев на хлорофилловые зерна, молекулы хлорофилла их поглощают. Электроны этих молекул получают от фотонов дополнительную порцию энергии и переходят, как говорят физики, на более высокий энергетический уровень. Состояние это для них неустойчивое, и электроны стремятся вернуться в более устойчивую энергетическую фазу, отдав кому-нибудь избыток полученной от света энергии.