workshop-377099_640Układ Golgiego został opisany po raz pierwszy w 1898 r. przez włoskiego anatoma i lekarza Camilla Golgiego, który opracował metodę specyficznego barwienia tej organelli. Wielu badaczy jednak uważało ją za artefakt; istnienie układu Golgiego jako integralnego składnika komórki potwierdzono dopiero w latach 50. XX w. w wyniku badań z użyciem mikroskopu elektronowego. W wielu komórkach układ Golgiego stanowi układ spłaszczonych błoniastych woreczków zwanych cysternami, które w niektórych miejscach rozszerzają się z powodu nagromadzenia produktów wytworzonych przez komórkę. W przeciwieństwie do SŚ, wnętrza i błony większości cystern nie kontaktują się ze sobą, w związku z czym układ Golgiego najczęściej składa się z licznych oddzielnych przedziałów. W każdym układzie cystern Golgiego rozróżnia się trzy strefy, zwane strefą cis, trans i pośrednią. Zwykle strefa cis jest położona najbliżej jądra i do niej dostają się białka z SŚ za pośrednictwem pęcherzyków transportujących. W strefie trans, skierowanej ku błonie komórkowej, odbywa się pakowanie cząsteczek białka do pęcherzyków, które uwalnia pączkujący układ Golgiego. Na przekroju poprzecznym układu Gołgiego widocznym na rycinie 4-13 końce cystern są rozdęte, co jest charakterystyczne dla dużej aktywności tej organelli. W niektórych komórkach zwierzęcych występuje jeden układ Golgiego, zwykle w sąsiedztwie jądra; w innych, a także w komórkach roślinnych, ma on postać oddzielnych stosów cystern rozproszonych w cytoplazmie. Liczne układy Golgiego występują w komórkach, które wydzielają znaczne ilościglikoprotein. Układy Golgiego komórek roślinnych wytwarzają pozakomórkowe polisacharydy będące składnikami ściany komórkowej.

service-428541_640Uczeni muszą być odpowiedzialni etycznie i informować ludzi o pożytku i niebezpieczeństwach wynikających z badań, jakie prowadzą. Ciekawe, że od samego początku realizowania projektu mapowania genomu ludzkiego przeznaczono część budżetu na analizę jego etycznych, prawnych i socjalnych skutków. Odpowiednie prawo pozwoli uśmierzyć obawy społeczeństwa co do nadużycia informacji genetycznej. Trzeba podkreślić, że genetyka jest tylko jedną z pasjonujących dziedzin biologii wpływających na nasze życie. Niezależnie od dążeń podczas studiów czy kariery zawodowej, wiedza biologiczna pozwala najlepiej zrozumieć ten świat i stawić czoła osobistym, społecznym i globalnym wyzwaniom. Wśród nich należy przede wszystkim wymienić ubożenie biologicznej różnorodności i źródeł surowców naturalnych, zwiększanie się liczby ludzi w skali globalnej, zapobieganie i leczenie chorób, takich jak choroba Alzheimera, malaria czy AIDS. Sprostanie tym wyzwaniom wymaga połączenia wysiłków biologów i innych uczonych, polityków oraz obywateli mających odpowiednią wiedzę biologiczną. Książka nasza stanowi punkt wyjścia do zapoznania się z biologią. Dostarcza podstawowej wiedzy i narzędzi, które umożliwiają włączenie się w nurt tej fascynującej nauki i stanie się lepiej poinformowanym członkiem społeczeństwa. Uczeni zgromadzili już dostatecznie dużo danych wskazujących, że organizmy żyjące na naszej planecie są spokrewnione oraz że powstały z dawniejszych prostszych organizmów. Proces ewolucji ma fundamentalne znaczenie dla biologii i jest głównym tematem tej książki.

library-computersW niektórych komórkach roślin i glonów zachodzi fotosynteza, tj. zespół reakcji, podczas których energia świetlna zostaje przekształcona w chemiczną, zawartą w cząsteczkach glukozy i innych węglowodanów. Substratami są dwutlenek węgla i woda. Chloroplasty są organellami zawierającymi chlorofil, zielony barwnik, który wychwytuje energię świetlną potrzebną do fotosyntezy. W chloroplastach występują także karotenoidy – żółte i pomarańczowe barwniki, również zdolne do absorpcji energii świetlnej. Jednokomórkowe glony mogą zawierać tylko jeden duży chloroplast, a w komórce liścia może ich być 20-100. Chloroplasty są zwykle nieco większe od mitochondriów; ich długość wynosi 5-10 (im lub więcej. Najczęściej chloroplasty mają kształt dysku i podobnie jak mitochondria zawierają układ błon. Wnętrze chloroplastu jest oddzielone od cytosolu dwiema błonami, między którymi występuje wąska przestrzeń. Błona wewnętrzna ogranicza przestrzeń wypełnioną płynem, zwaną stromą. W stromie znajdują się enzymy odpowiedzialne za wytwarzanie węglowodanów z dwutlenku węgla i wody z wykorzystaniem energii słonecznej. Układ błon wewnętrznych, zawieszony w stromie, składa się z płaskich, dyskowatych woreczków zwanych tylakoidami, z których część ułożona jest w stosy zwane granami. Błony tylakoidów ograniczają trzeci przedział wewnątrz chloroplastu, zwany wnętrzem tylakoidów. Zawierają one chlorofil i są funkcjonalnie podobne do błony mitochondrialnej wewnętrznej, gdyż zachodzi na nich synteza ATP. Pochłonięta przez cząsteczki chlorofilu energia światła słonecznego wzbudza elektrony, których energia zostaje następnie użyta do syntezy ATP i innych cząsteczek przenoszących energię chemiczną. Chloroplasty należą do grupy organelli zwanych ogólnie plastydami, które w komórkach roślin i glonów wytwarzają i gromadzą substancje pokarmowe.

images (2)Wszystkie organizmy żywe, chociaż ogromnie różnią się wielkością i wyglądem, są zbudowane z podstawowych jednostek, zwanych komórkami. Każda nowa komórka może powstać tylko przez podział innej, macierzystej. Te założenia ujmuje teoria komórkowa, podstawowa, jednocząca koncepcja biologii. Niektóre z prostszych form życia, np. pierwotniaki, są organizmami jednokomórkowymi, co oznacza, że są zbudowane tylko z jednej komórki. Ciało kota czy klonu jest natomiast zbudowane z miliardów komórek. Procesy życiowe złożonych organizmów wielokomórkowych zależą od skoordynowanego funkcjonowania ich podstawowych składowych – komórek, zorganizowanych w tkanki, narządy i układy. Każda komórka jest pokryta błoną komórkową, która ją osłania i oddziela od środowiska zewnętrznego. Błona komórkowa reguluje przepływ materii między komórką i środowiskiem. Komórki zawierają specyficzne cząsteczki zawierające informację genetyczną. U większości z nich informacja ta jest zakodowana w kwasie deoksyrybonukleinowym, w skrócie oznaczanym jako DNA. Innymi typowymi strukturami komórkowymi są organelle, wyspecjalizowane w określonych funkcjach. W świecie żywym występują dwa podstawowe typy komórek: prokariotyczne i eukariotyczne. Komórki prokariotyczne budują wyłącznie organizmy bakterii i mikroorganizmy nazwane arche-owcami. Wszystkie inne organizmy są zbudowane z komórek eukariotycznych. Typowe komórki eukariotyczne mieszczą różne objęte błonami organelle, w tym jądro, zawierające DNA. Komórki prokariotyczne mają prostszą strukturę. Nie mają jądra ani innych organelli otoczonych błonami.

service-428540_640Komórki są koronnym dowodem jedności świata żywego. Ideę tę po raz pierwszy wyrazili dwaj niemieccy przyrodnicy, botanik Matthias Schleiden w 1838 r. i zoolog Theodor Schwann w 1839 r. Opierając się na własnych obserwacjach i badaniach innych naukowców, doszli oni do konkluzji, że wszystkie rośliny i zwierzęta są zbudowane z komórek. Nieco później Rudolf Virchow, również niemiecki uczony, zaobserwował dzielące się komórki i stwierdził, że nowe powstają wyłącznie wskutek podziału wcześniej istniejących. Stwierdzenia Schleidena, Schwanna i Virchowa stały się podstawą do ogłoszenia teorii komórkowej, mówiącej, że komórka jest podstawową żywą jednostką strukturalną i funkcjonalna wszystkich organizmów oraz każda komórka powstaje z innej komórki. Inny wybitny niemiecki biolog, August Weismann, uzupełnił stwierdzenie Virchowa, wskazując, że wszystkie żywe obecnie komórki wywodzą się od wspólnego przodka żyjącego w dalekiej przeszłości. Ważnym dowodem ich wspólnego pochodzenia jest uderzające podobieństwo struktury, a także budowy molekularnej różnych komórek, niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z tak prostymi organizmami jak bakterie czy tak odległymi od nich ewolucyjnie jak rośliny i zwierzęta. Dlatego też analiza wspólnych cech różnych komórek pomaga prześledzić ewolucję różnych grup organizmów i dostarcza silnych dowodów na wspólne pochodzenie wszystkich żyjących dzisiaj organizmów. Każda komórka jest mikrokosmosem życia. Stanowi najmniejszą jednostkę, która wykonuje wszystkie czynności wiążące się z po-jęciem życia. Komórki niektórych rodzajów w warunkach laboratoryjnych, zaopatrzone w niezbędne do funkcjonowania związki odżywcze i umieszczone w odpowiednim środowisku, będą rosnąć i mnożyć się przez wiele lat, choć dowolna wyizolowana część którejkolwiek z nich nie będzie zdolna do samodzielnego życia. Dzięki obecności niezliczonych jonów oraz cząsteczek organicznych i nieorganicznych, takich jak woda, sole, węglowodany, lipidy, białka i kwasy nukleinowe, komórki mają wszystkie składniki chemiczne i fizyczne niezbędne do utrzymania się przy życiu, a także do wzrostu i mnożenia się.

images (1)Sole, cukry i inne związki są rozpuszczone we wszystkich płynach komórki. Sprawiają one, że wnętrze komórki ma charakterystyczne ciśnienie osmotyczne. Kiedy komórka zostanie umieszczona w roztworze o identycznym ciśnieniu osmotycznym jak w jej wnętrzu, to nie wystąpi dominacja przemieszczania się cząsteczek wody w żadnym kierunku, więc komórka nie będzie się kurczyć ani powiększać swoich rozmiarów. Taki roztwór nazywa się izotonicznyni; jego stężenie jest równe stężeniu płynu w komórce. Zwykle osocze krwi i wszystkie inne płyny pozakomórkowe są izotoniczne w stosunku do płynów w komórkach: woda występuje w takim samym stężeniu jak w komórkach. Roztwór 0,9% chlorku sodu j est izotoniczny dla komórek ludzkich i zwierzęcych. Umieszczone w nim ludzkie erytrocyty nie będą się kurczyć ani pęcznieć. Jeżeli płyn wokół komórki będzie miał wyższe stężenie rozpuszczonych substancji niż w jej wnętrzu, to będzie również miał wyższe ciśnienie osmotyczne; będzie hipertoniczny w stosunku do płynu komórki. Istnieje w nim mniejsze efektywne stężenie wody niż w komórce, więc umieszczona w nim komórka zacznie się kurczyć w wyniku utraty wody wskutek osmozy. Ludzkie erytrocyty umieszczone w roztworze 1,3% chlorku sodu kurczą się i w końcu zamierają. Jeżeli natomiast otaczający komórkę roztwór będzie mniej stężony niż jej cytoplazma, to będzie miał również mniejsze ciśnienie osmotyczne, czyli będzie hipotoniczny w stosunku do niej.

imagesMimo wykorzystywania w badaniach coraz lepszych mikroskopów optycznych i barwienia komórek, można w ten sposób obserwować jedynie większe struktury wewnątrzkomórkowe. Dopiero skonstruowanie mikroskopu elektronowego, który wszedł w użycie w latach 50. ubiegłego wieku, pozwoliło uczonym lepiej wniknąć w szczegóły budowy komórek, czyli poznać ich ultrastrukturę. Podczas gdy rozdzielczość najlepszych mikroskopów optycznych jest około 500 razy większa niż zdolność rozdzielcza oka ludzkiego, mikroskop elektronowy zwiększa tę zdolność ponad 10 000 razy. Przyczyną tak wysokiej rozdzielczości jest bardzo mała długość fali strumienia elektronów, wynosząca 0,1-0,2 nm. Zdolność rozdzielczą tego rzędu można wykorzystać nawet do badań izolowanych cząsteczek, takich jak DNA lub białka. Pozwala ona również na uzyskiwanie powiększeń 250 000 razy lub większych, podczas gdy najlepsze mikroskopy optyczne powiększają około 1000 razy. Obrazu, który powstaje w mikroskopie elektronowym, nie można zobaczyć bezpośrednio. Rolę światła pełni w nim strumień elektronów, które dzięki ujemnemu ładunkowi zostają zogniskowane na badanym preparacie za pomocą elektromagnesów, które są funkcjonalnym odpowiednikiem soczewek szklanych. W celu obserwacji w mikroskopie elektronowym transmisyjnym próbki materiału biologicznego przepaja się żywicą syntetyczną, a następnie kroi na niezwykle cienkie skrawki za pomocą noża szklanego lub diamentowego. Skrawki umieszcza się następnie na niewielkiej metalowej siateczce. Wiązka elektronów po przejściu przez badaną próbkę pada na ekran fluorescencyjny lub kliszę fotograficzną.

hacking_in_wmii_by_PeetsMtlHipoteza jest ideą abstrakcyjną, więc nie można jej sprawdzić bezpośrednio. Niemniej jednak sugeruje ona pewne logiczne skutki, tj. dające się zaobserwować rzeczy lub zjawiska, które nie mogą być fałszywe, jeżeli ona jest prawdziwa. Jeżeli jednak hipoteza w rzeczywistości jest fałszywa, to inne określone przewidywania powinny to ujawnić. Przyjmujemy więc tutaj, że przewidywanie jest dedukcyjną logiczną konsekwencją hipotezy. Przewidywanie można sprawdzić, prowadząc kontrolowane doświadczenia. Biolodzy już dawno zaobserwowali, że jądro jest najważniejszą częścią komórki, i wysunęli hipotezę, że ma zasadnicze znaczenie dla jej funkcjonowania. Przewidywali, że usunięcie jądra może spowodować śmierć komórki. Przeprowadzono więc doświadczenie polegające na chirurgicznym usunięciu jądra z ciała ameby – organizmu jednokomórkowego. Po zabiegu ameba żyła jakiś czas, poruszała się, ale nie rosła i po kilku dniach obumarła. Wynik tego doświadczenia jednoznacznie sugerował, że jądro istotnie jest niezbędne do procesów metabolicznych zapewniających wzrost i rozmnażanie się komórki. Pojawiło się jednak pytanie, czy przyczyną śmierci ameby mógł być sam zabieg operacyjny, nie zaś brak jądra. Przeprowadzono zatem kontrolowane doświadczenie, w którym dwie grupy ameb poddano identycznym urazom operacyjnym, przy czym amebom z grupy doświadczalnej usuwano jądro, a z grupy kontrolnej – nie. Grupa doświadczalna różniła się od kontrolnej tylko pod względem jednej zmiennej – skutku zabiegu. Do ciała ameb z grupy kontrolnej wprowadzano mikropętlę i wykonywano nią ruchy symulujące usuwanie jądra, po czym ją wyciągano; pozostawiając jądro na miejscu. Ameby poddane takiemu zabiegowi zdrowiały, po czym nadal rosły i dzieliły się, podczas gdy ameby pozbawione jądra obumierały.

computers-33039_640Nieorganiczne i organiczne związki węgla powszechnie występują w przyrodzie. Wiele różnych związków organicznych zostanie wbudowanych w organizm dziecka podczas jego wzrostu. Do związków organicznych należą substancje chemiczne, w których atomy węgla połączone wiązaniami kowalencyjnymi tworzą szkielet cząsteczek. Tylko niektóre bardzo proste związki, których atomy węgla nie łączą się ze sobą i z atomami wodoru wiązaniami kowalencyjnymi, zalicza się do nieorganicznych. Nieorganicznym związkiem jest np. dwutlenek węgla, wydalany jako zbędny produkt rozkładu cząsteczek organicznych w procesach uwalniania energii. Nazwa „związki organiczne” jest odbiciem dawnego poglądu, że mogą one powstawać tylko w organizmach żywych. W 1928 roku niemiecki chemik Friedrich Wuhler po raz pierwszy dokonał laboratoryjnej syntezy mocznika, produktu przemiany materii. Od tego czasu badacze opracowali metody syntezy wielu innych związków organicznych, również nie wykrytych w organizmach żywych. Związki organiczne są bardzo różnorodne; dotychczas zidentyfikowano ich ponad 5 milionów. Przyczyn tej różnorodności jest wiele. Związki te mogą mieć różną strukturę przestrzenną, a atom węgla może łączyć się wiązaniami chemicznymi z większą liczbą pierwiastków niż jakikolwiek inny atom. Dodatkowe grupy chemiczne, zawierające atomy innych pierwiastków, głównie tlenu, azotu, fosforu i siarki, także w zasadniczy sposób wpływają na właściwości cząsteczki organicznej.

computer-154114_640Mimo że lizosomy zidentyfikowano prawie we wszystkich rodzajach komórek zwierzęcych, ich obecność w komórkach roślin i grzybów jest nadal kwestią dyskusyjną. Wiele funkcji, które lizosomy pełnią w komórkach zwierzęcych, w komórkach roślinnych wykonuje duża, otoczona błoną organella, zwana wakuola. Błona ją otaczająca, zwana tonoplastem, jest częścią układu endomembran. Termin wakuola, co oznacza „pusty”, pochodzi stąd, że organella ta nie zawiera żadnych struktur wewnętrznych. Część biologów używa zamiennie terminów wakuola i pęcherzyk, należy jednak pamiętać, że wakuole są zwykle większe i czasem powstają przez zlanie się wielu pęcherzyków. Pęcherzyk jest natomiast zwykle definiowany jako mała obłoniona struktura, zawierająca przenoszony ładunek. Wakuole odgrywają ważną rolę w rozwoju i wzroście roślin. Niedojrzałe komórki roślinne są zwykle małe i zawierają liczne niewielkie wakuole. W miarę wypełniania się wodą powiększają się one i łączą w jedną dużą wakuole centralną. Powiększanie się komórki roślinnej jest głównie spowodowane gromadzeniem się wody w wakuoli centralnej. Ponad 90% objętości komórki roślinnej może zajmować duża wakuola centralna wypełniona wodą, zapasowymi substancjami odżywczymi, solami, barwnikami i zbędnymi produktami metabolizmu. Wakuola ta może więc służyć jako przedział magazynujący związki nieorganiczne, a także białka w komórkach nasion. Rośliny nie mają organów usuwających toksyczne metabolity, toteż odpady te mogą ulegać w wakuoli recyklizacji. tj. powtórnemu wykorzystaniu, lub też gromadzeniu w postaci niewielkich kryształów. Wakuole mogą również pełnić w roślinie funkcję obronną, która polega na magazynowaniu w wakuolach roślinnych związków szkodliwych dla roślinożerców. Wakuole roślinne, podobnie jak lizosomy, są zdolne do degradacji niepotrzebnych organelli i innych składników komórki. Są również ważne w utrzymaniu ciśnienia hydrostatycznego (turgoru) w komórce roślinnej.