PRZEDMOWA
Komórkę po raz pierwszy uznano za podstawową jednostkę życia w XIX wieku. Można by więc pomyśleć, że obecnie wiemy wszystko, co trzeba wiedzieć o komórkach. Jednak z każdym wydaniem Podstaw biologii komórki autorzy ponownie doświadczają radości z dowiadywania się czegoś nowego i zaskakującego o komórkach. Istotnie, praca nad podręcznikiem skłania do pokory - przypomina nam, że wiele z najbardziej fascynujących pytań w dziedzinie biologii komórki pozostaje bez odpowiedzi. W jaki sposób powstały komórki i w jaki sposób miliardy lat ewolucji pozwoliły im zasiedlić każdą dostępną do zasiedlenia niszę ekologiczną - od gorącego kwasu ze źródeł wulkanicznych po lodowe baseny pod powierzchnią Antarktydy? Jak komórki reagują na stale zmieniające się środowisko i jak ich funkcjonowanie zmieniło naszą planetę, torując ostatecznie drogę naszemu pojawieniu się? Jak to możliwe, że miliardy komórek współdziałają ze sobą tak harmonijnie i tworzą duże organizmy wielokomórkowe, takie jak my sami?
Pytania te pozostają przykładami wyzwań dla przyszłych pokoleń biologów komórki. Być może niektórzy z nich wraz z tym podręcznikiem rozpoczną swoją wspaniałą podróż po świecie komórek. Równocześnie mamy nadzieję, że zrozumienie komórek - i planety, którą dzielimy z innymi żywymi organizmami - sprawi, że będziemy, jako obywatele i osoby zarządzające globalnym społeczeństwem, lepiej przygotowani do podejmowania opartych na wiedzy decyzji dotyczących spraw coraz bardziej skomplikowanych, od zmian klimatu i bezpieczeństwa żywnościowego do technologii biomedycznych i pojawiających się zagrożeń epidemicznych.
W Podstawach biologii komórki wprowadzamy czytelników w najważniejsze zagadnienia biologii komórki. Szóste wydanie zostało uaktualnione i uwzględnia wiele ważnych nowych odkryć. Omawiamy niezwykłego archeona, znalezionego w kominie hydrotermalnym na dnie oceanu, w którego przypadku sugeruje się wejście w symbiozę z innymi komórkami. Ta nieoczekiwana współpraca daje możliwość wglądu w proces ewolucji komórek eukariotycznych takich jak nasze. Przedstawiamy nowe szczegóły dotyczące upakowania naszej informacji genetycznej w chromosomach i wiele uwagi poświęcamy - w kilku rozdziałach - omówieniu SARS-CoV-2, wirusa odpowiedzialnego za pandemię COVID-19. Oprócz przeglądu struktury tego wirusa i jego cyklu replikacyjnego opisujemy szczepionki i leki wyprodukowane w celu walki z tym wirusem. Na koniec, jak to robimy przy każdym nowym wydaniu, przedstawiamy nowe, potężne techniki, które pozwalają nam badać komórki i ich składniki z niespotykaną dotąd precyzją, takie jak superrozdzielcza mikroskopia fluorescencyjna i mikroskopia krioelektronowa, jak również najnowsze metody sekwencjonowania DNA, przewidywania struktury białka i edytowania genów. Materiał ilustracyjny został głęboko zweryfikowany i zaktualizowany i włączono do niego wiele nowych rycin i mikrofotografii.
Czytelników chcących dowiedzieć się, w jaki sposób ciekawość naukowa może stać się siłą napędową przełomów w zrozumieniu biologii komórki, zainteresują historie odkryć prezentowane w każdym rozdziale w panelach "Skąd to wiemy?". Prezentują one informacje o eksperymentach i ich planowaniu, pokazują, w jaki sposób biologowie radzą sobie z ważnymi pytaniami i jak uzyskane wyniki eksperymentów kształtują przyszłe idee.
Podobnie jak w poprzednich wydaniach na marginesach oraz na końcu każdego rozdziału umieszczone zostały pytania, by pomóc sprawdzić zrozumienie tekstu oraz by zachęcić do samodzielnego myślenia i wykorzystywania nowo uzyskanych informacji w znacznie szerszym kontekście biologicznym. Niektóre pytania mają więcej niż jedną prawidłową odpowiedź. Inne zachęcają do kreatywnego myślenia. Odpowiedzi na wszystkie pytania umieszczono na końcu podręcznika, a wiele z nich zawiera dodatkowe informacje lub przedstawia perspektywę odmienną od tej, która znalazła się w głównej części tekstu.
Każdy rozdział Podstaw biologii komórki jest wytworem wspólnego działania. Tekst oraz ryciny były wiele razy poprawiane i udoskonalane, wędrując od jednego autora do drugiego, i to w obie strony! Liczne grono osób, które pomogły doprowadzić nasze dzieło do końca, jest wymienione w Podziękowaniach. Mimo naszych największych wysiłków na pewno znajdą się w podręczniku błędy. Zachęcamy czytelników, którzy takowe znajdą, aby zawiadomili nas o tym, dzięki czemu będziemy mogli je poprawić we wznowieniu.
Podziękowania
Autorzy przyjmują z wdzięcznością wkład wielu profesorów i studentów z całego świata w stworzenie szóstego wydania Podstaw biologii komórki. W szczególności chcielibyśmy docenić wymienionych poniżej nauczycieli akademickich i podziękować im za informacje zwrotne, które pozwalają nam na dalsze udoskonalanie tego podręcznika:
Douglas Briant, University of Victoria
Marion Brodhagen, Western Washington University
Ron Dubreuil, University of Illinois w Chicago
Lisa Farmer, University of Houston
Valerie Haywood, Case Western Reserve University
Paul Himes, University of Louisville
Julie Hollien, University of Utah
Todd Kostman, University of Wisconsin, Oshkosh
Michael Misamore, Texas Christian University
Edmund Rucker, University of Kentucky
Shannon Stevenson, University of Minnesota Duluth
Richard Walker, Virginia Tech
Robin Young, University of British Columbia, Okanagan Campus
Amanda Zeigler, University of South Carolina, Columbia
Chcielibyśmy także podziękować recenzentom, których uwagi pomogły ukształtować piąte wydanie tego podręcznika i których wkład jest nadal istotny dla szóstego wydania:
Delbert Abi Abdallah, Thiel College, Pensylwania
Ann Aguanno, Marymount Manhattan College
David W. Barnes, Georgia Gwinnett College
Manfred Beilharz, The University of Western Australia
Christopher Brandl, Western University, Ontario
David Casso, San Francisco State University
Shazia S. Chaudhry, The University of Manchaster, Wielka Brytania
Heidi Engelhardt, University of Waterloo, Kanada
Sarah Ennis, University of Southampton, Wielka Brytania
David Featherstone, The University of Illinois w Chicago
Yen Kang France, Georgia College
Barbara Frank, Idaho State University
Daniel E. Frigo, University of Houston
Marcos Garcia-Ojeda, University of California, Merced
David L. Gard, University of Utah
Adam Gromley, Lincoln Memorial University, Tennessee
P. Elly Holthuizen, University Medical Center Utrecht, Holandia
Harold Hoops, State University of New York, Geneseo
Bruce Jensen, University of Jamestown, Północna Dakota
Andor Kiss, Miami University, Ohio
Annette Koenders, Edith Cowan University, Australia
Arthur W. Lambert, Whitehead Institute for Biomedical Research
Denis Larochelle, Clark University, Massachusetts
David Leaf, Western Washington University
Esther Leise, University of North Carolina at Greensboro
Bernhard Lieb, University of Mainz, Niemcy
Julie Lively, Louisiana State University
Caroline Mackintosh, University of Saint Mary, Kansas
John Mason, University of Edinburgh, Szkocja
Craig Milgrim, Grossmont College, Kalifornia
Arkadeep Mitra, City College, Kolkata, Indie
Niels Erik M?llegaard, University of Copenhagen, Dania
Javier Naval, University of Zaragoza, Hiszpania
Marianna Patrauchan, Oklahoma State University
George Risinger, Oklahoma City Community College
Laura Romberg, Oberlin College, Ohio
Sandra Schulze, Western Washington University
Isaac Skromne, University of Richmond, Wirginia
Anna Slusarz, Stephens College, Missouri
Richard Smith, University of Tennessee Health Science Center
Alison Snape, King's College, London, Wielka Brytania
Maria Tipping, Providence College, Rhode Island
Jim Tokuhisa, Virginia Polytechnic Institute and State University
Guillamme van Eys, Maastricht University, Holandia
Barbara Vertel, Rosalind Franklin University of Medicine and Science, Illinois
Jennifer Waby, University of Bradford, Wielka Brytania
Dianne Watters, Griffith University, Australia
Allison Wiedermeier, University of Louisiana at Monroe
Elizabeth Wurdak, Saint. John's University, Minnesota
Kwok-Ming Yao, The University of Hong Kong
Foong May Yeong, National University of Singapore
Jesteśmy również wdzięczni wszystkim czytelnikom z całego świata, którzy zawiadomili nas o błędach w poprzednich wydaniach.
Praca nad tym podręcznikiem była przyjemnością, po części dzięki wielu ludziom, którzy przyczynili się do jej powstania. Nigel Orme ponownie pracował wraz z jednym z autorów, Keithem Robertsem, nad całą stroną ilustracyjną podręcznika, którą przygotował ze zręcznością i troską o jakość. Nigel zaprojektował obie strony okładki oraz czołówkę każdego rozdziału; Natalia Orme zrealizowała te projekty, stosując starą technikę nazywaną quillingiem z papieru. Szczególnie wdzięczni jesteśmy Denise Schanck, naszej redaktorce od 1998 roku, która nadzorowała znaczną część procesu korekty od 2018 roku aż do przejścia na emeryturę pod koniec roku 2021. Denise nadzorowała wstępne recenzje, ściśle współpracowała z autorami poszczególnych rozdziałów, troszczyła się o nas podczas naszych ćwiczeń pisarskich i zapewniała inspirację, motywację i przestrzeganie harmonogramu.
Za doprowadzenie tego wydania do druku dziękujemy także redaktorowi Jake'owi Schindelowi; za jego bystre oko, życzliwość i zdolności organizacyjne. Todd Pearson zaaranżował bogactwo materiałów internetowych, w tym wszystkie klipy wideo i animacje, przy wsparciu Jasmine Ribeaux, Lindsey Heale i Mandy Lin. Ich koordynacja rozrastających się materiałów internetowych zaowocowała niezrównanym zestawem materiałów z zakresu biologii komórki zarówno dla studentów, jak i nauczycieli. Te z kolei zostały zasadniczo udoskonalone dzięki pracy Johna Wilsona i Tima Hunta, których nieustający wysiłek, aby The Problem Book związany z Molecular Biology of the Cell uczynić bardziej wymagającym i wciągającym, stanowił inspirację dla programu Smartwork związanego z Podstawami biologii komórki, jak i źródło zawartych w nich przykładów.
Clare Lewis zasługuje na podziękowania za pomoc przy kolejnych etapach przejścia podręcznika przez produkcję. Jesteśmy wdzięczni Holly Plank za ogromny entuzjazm i poparcie dla naszego podręcznika. Megan Schindel, Ted Szczepański i Patricia Wong zasługują na nasze wyrazy wdzięczności za przeprowadzenie procesu uzyskiwania zgód i pozwoleń do tego wydania. Profesjonalne zarządzanie produkcją przez Jane Searle i niezwykła dbałość o szczegóły Laury Dragonette oraz ich talent do radzenia sobie z problemami uczyniły podręcznik, który trzymacie w swoich rękach, rzeczywistością.
Jako ostatnie, co nie znaczy, że mniej ważne, umieszczamy, po raz kolejny, podziękowania dla naszych rodzin i dla naszych kolegów za niesłabnące wsparcie i tolerancję. Dziękujemy wszystkim bez wyjątku.
Materiały dla nauczycieli i studentów
Panele "Skąd to wiemy?" znajdujące się we wszystkich rozdziałach wyjaśniają, jak badacze planują i przeprowadzają eksperymenty, które umożliwiają im lepsze zrozumienie funkcjonowania systemów biologicznych. Ale w jaki sposób wyniki setek tysięcy eksperymentów są łączone przez naukowców w celu uzyskania konsensusu naukowego niezbędnego do pisania podręczników?
Terminologia
W całym podręczniku do wyróżnienia kluczowych terminów zastosowano pogrubioną czcionkę w tym miejscu rozdziału, w którym toczy się główna dyskusja. Kursywą zaznaczono ważne terminy o mniejszym znaczeniu. Na końcu podręcznika znajduje się rozbudowany słowniczek obejmujący najważniejsze terminy w biologii komórki; powinien być pierwszą deską ratunku dla czytelnika, który napotyka nieznany termin.
1Komórki: podstawowe jednostki życia
Jedność i różnorodność komórek
Obserwując budowę komórki
Drzewo życia
Komórka eukariotyczna
Badając organizmy modelowe
Co to znaczy być żywym organizmem? Petunie, ludzie i kożuch na powierzchni stawu są żywe, natomiast kamienie, piasek i letnia bryza już nie. Jakie zatem podstawowe właściwości najlepiej określają organizmy żywe i odróżniają je od materii nieożywionej?
Odpowiedź na to pytanie koncentruje się na podstawowym ustaleniu, które współcześni biolodzy uznają za oczywiste, a które, gdy ogłoszono je po raz pierwszy ponad 175 lat temu, stało się rewolucyjnym przełomem w myśleniu. Wszystkie istoty żywe (lub organizmy) są zbudowane z komórek: małych, otoczonych błoną jednostek wypełnionych stężonym wodnym roztworem związków chemicznych, obdarzonych niezwykłą zdolnością do tworzenia własnych kopii poprzez wzrost, a następnie podział na dwie jednostki potomne. Najprostszymi formami życia są pojedyncze komórki. Bardziej złożone organizmy, w tym ludzie, są społecznościami komórek wywodzących się, w wyniku wzrostu i podziału, z pojedynczej komórki założycielskiej. Każde zwierzę czy roślina jest olbrzymią kolonią poszczególnych komórek, z których każda spełnia wyspecjalizowaną funkcję włączoną w działanie całego organizmu poprzez złożone systemy komunikacji międzykomórkowej.
Komórki uznajemy zatem za podstawowe jednostki życia. Dlatego też, poszukując odpowiedzi na pytanie: czym jest i jak funkcjonuje życie, posiłkujemy się biologią komórki, która bada komórki, ich strukturę, funkcję i zachowanie. Rozumiejąc lepiej komórki, możemy mierzyć się z wielkimi pytaniami dotyczącymi historii życia na Ziemi: jego tajemniczych początków, zadziwiającej różnorodności będącej efektem wielu miliardów lat ewolucji, a także pojawienia się życia w każdym nadającym się do zasiedlenia miejscu na naszej planecie. Jednocześnie biologia komórki może udzielić nam odpowiedzi na pytania, które dotyczą nas bezpośrednio. Skąd pochodzimy? W jaki sposób rozwijamy się z pojedynczej zapłodnionej komórki jajowej? Jak to jest, że każdy z nas jest podobny, a zarazem odmienny od każdego innego człowieka na Ziemi? Dlaczego chorujemy, starzejemy się i umieramy?
W tym rozdziale przedstawimy koncepcję komórek: czym one są, skąd pochodzą i w jaki sposób dowiedzieliśmy się o nich tak dużo. Rozpoczniemy od przyjrzenia się ogromnej różnorodności form, jakie komórki mogą przyjmować, a następnie rzucimy okiem na maszynerię chemiczną, która jest wspólna dla wszystkich komórek. Rozważymy również, jak można uwidocznić komórki pod mikroskopem i co właściwie widzimy, gdy zaglądamy do ich wnętrza. Wreszcie zastanowimy się, jak można wykorzystać podobieństwa między żywymi istotami do osiągnięcia spójnego zrozumienia wszystkich form życia na Ziemi - od najmniejszej bakterii do najpotężniejszego dębu.
Jedność i różnorodność komórek
Biolodzy szacują, że na naszej planecie może występować nawet 100 milionów odrębnych gatunków istot żywych - organizmów tak różnych, jak delfin i róża lub bakteria i motyl. Komórki także bardzo różnią się swym kształtem i funkcją. Komórki zwierzęce są odmienne od komórek roślin. Co więcej, również komórki w obrębie jednego organizmu wielokomórkowego mogą się szalenie różnić wyglądem i aktywnością. Jednak pomimo tych różnic wszystkie komórki współdzielą te same mechanizmy chemiczne i inne cechy wspólne.
W tym podrozdziale przyjrzymy się niektórym podobieństwom i różnicom między komórkami oraz przedyskutujemy problem pochodzenia ewolucyjnego wszystkich współczesnych komórek od wspólnej prakomórki.
Komórki różnią się niezmiernie wyglądem i funkcją
Kiedy porównuje się komórkę z inną komórką, jednym z najbardziej oczywistych kryteriów jest określenie ich wielkości. Komórka bakteryjna, powiedzmy Lactobacillus w kawałku sera, ma długość kilku mikrometrów, czyli ?m. Jest więc około 25 razy mniejsza niż średnica ludzkiego włosa. Z drugiej strony komórka jajowa żaby, która także jest pojedynczą komórką, ma średnicę około 1 milimetra (mm). Gdybyśmy przeskalowali obie komórki tak, by Lactobacillus był wielkości człowieka, komórka jajowa żaby miałaby wysokość około 900 m. W istocie komórki jajowe większości zwierząt są olbrzymimi pojedynczymi komórkami zawierającymi zapasy substancji odżywczych, które mogą wspierać wzrost zarodka aż do wylęgu. Rozmiar kurzego jaja sięga kilku centymetrów, a jajo strusia jest ponad 20 razy większe.
Równie mocno komórki różnią się kształtami (ryc. 1.1). Przykładowo typowa komórka nerwowa w twoim mózgu jest niezwykle wydłużona; przesyła ona swe sygnały elektryczne wzdłuż pojedynczej cienkiej wypustki (aksonu), której długość jest 10 000 razy większa niż grubość. Komórka nerwowa odbiera zaś sygnały od innych komórek poprzez zestaw krótszych wypustek, które wyłaniają się z ciała komórki na podobieństwo gałęzi drzewa (ryc. 1.1A). Natomiast zamieszkujący stawy pantofelek (łac. Paramecium) ma kształt podobny do łodzi podwodnej i pokryty jest tysiącami rzęsek (łac. cilia) - podobnych do włosów wypustek, których skoordynowane, faliste uderzenia popychają komórkę do przodu, nadając jej jednocześnie odpowiednią rotację (ryc. 1.1B). Komórka powierzchniowej warstwy ciała rośliny jest pękata i nieruchoma, otoczona sztywną skrzynką celulozową, którą po stronie eksponowanej na zewnątrz pokrywa wodoszczelna wydzielina woskowata (ryc. 1.1C). Makrofag w ciele zwierzęcia, dla kontrastu, przeciska się przez tkanki, zmieniając nieustannie kształt, w poszukiwaniu odpadów, obcych mikroorganizmów czy też martwych lub umierających komórek, które pochłania (ryc. 1.1D). Drożdże rozszczepkowe mają kształt podobny do pałeczki (ryc. 1.1E), podczas gdy drożdże pączkujące są zachwycająco sferyczne (ryc. 1.16). Przykłady można by mnożyć.
Komórki są także niezwykle zróżnicowane pod względem wymagań chemicznych. Niektóre do życia potrzebują tlenu, dla innych ten gaz jest śmiertelnie toksyczny. Niektóre komórki jako surowce zużywają niewiele więcej niż ditlenek węgla (CO2), światło słoneczne i wodę, inne potrzebują złożonej mieszaniny cząsteczek wytwarzanych przez inne komórki.
U organizmów wielokomórkowych te różnice w wielkości, kształcie i wymaganiach chemicznych prawie zawsze odzwierciedlają różnice w funkcjach komórek. Niektóre komórki działają jak fabryki wyspecjalizowane w wytwarzaniu określonych substancji, takich jak hormony, skrobia, tłuszcze, lateks lub barwniki. Inne, jak komórki mięśniowe, stanowią silniki, które spalają paliwo do wykonania pracy mechanicznej. Jeszcze inne, jak zmodyfikowane komórki mięśniowe węgorza elektrycznego, mogą być generatorami elektryczności.
PYTANIE 1.1
"Życie" jest łatwe do rozpoznania, lecz trudne do zdefiniowania. Według jednego z popularnych podręczników biologicznych istoty żywe:
1. Są wysoce zorganizowane w odróżnieniu od naturalnych obiektów nieożywionych.
2. Wykazują homeostazę, utrzymując stosunkowo stabilne środowisko wewnętrzne.
3. Rozmnażają się.
4. Rosną i rozwijają się z prostych zaczątków.
5. Pobierają z otoczenia materię i energię i przekształcają je.
6. Reagują na bodźce.
7. Wykazują adaptację do swojego otoczenia.
Biorąc pod uwagę te cechy, oceń osobę, smartfon i ziemniak.
Niektóre modyfikacje doprowadzają do takiej specjalizacji komórki, że przestaje ona się namnażać, a więc nie ma komórek potomnych. Taki los byłby bez sensu w przypadku komórki, która prowadzi samotny tryb życia. Jednakże w organizmie wielokomórkowym istnieje podział pracy między komórkami umożliwiający niektórym z nich skrajną specjalizację do wykonania określonych zadań przy równoczesnym uzależnieniu ich od otaczających komórek w zakresie wielu wymagań podstawowych. Nawet najbardziej podstawowa potrzeba ze wszystkich - przekazania instrukcji genetycznych organizmu do następnego pokolenia - zostaje powierzona specjalistom: komórce jajowej i plemnikowi.
Wszystkie żywe komórki funkcjonują, opierając się na podobnych podstawowych procesach chemicznych
Mimo niezwykłego zróżnicowania roślin i zwierząt ludzie od niepamiętnych czasów zdawali sobie sprawę z tego, że te organizmy coś ze sobą łączy, coś, co pozwala wszystkie je nazywać istotami żywymi. Choć jednak rozpoznanie życia wydawało się dość łatwe, to już określenie, w jakim znaczeniu wszystkie istoty żywe są podobne, okazało się wybitnie trudne. W podręcznikach musiano więc zadowolić się definicjami życia wykorzystującymi abstrakcyjne terminy ogólne związane ze wzrostem, rozmnażaniem i zdolnością do aktywnej zmiany zachowania w odpowiedzi na bodźce płynące z otoczenia.
Ryc. 1.1. Komórki mają różne kształty i rozmiary. (A) Rysunek pojedynczej komórki nerwowej z mózgu ssaka. Komórka ta ma pojedynczą, nierozgałęzioną wypustkę (akson), skierowaną ku górze obrazu, przez którą wysyła sygnały elektryczne do innych komórek nerwowych, oraz ogromne, rozgałęzione drzewo wypustek (dendrytów), przez które odbiera sygnały od nawet 100 000 innych komórek nerwowych. (B) Paramecium (pantofelek). Ten pierwotniak - pojedyncza ogromna komórka - pływa, używając bijących rzęsek pokrywających jego powierzchnię. (C) Powierzchnia płatka kwiatu lwiej paszczy (wyżlin większy, Antirrhinum majus) ukazuje uporządkowany wzorzec ściśle upakowanych komórek. (D) Makrofag rozpościera się jak najmocniej podczas patrolowania tkanek zwierzęcych w poszukiwaniu atakujących mikroorganizmów. (E) Komórka drożdży rozszczepkowych uchwycona w trakcie podziału na dwie komórki. Znajdująca się pośrodku septa (wybarwiona na czerwono barwnikiem fluorescencyjnym) buduje ścianę między dwoma jądrami komórkowymi (również wybarwione na czerwono), które rozdzieliły się do dwóch komórek potomnych; na tym zdjęciu błony komórki są cętkowo wybarwione zielonym barwnikiem fluorescencyjnym. Zauważ bardzo różne paski skali dla poszczególnych mikrografii; komórka nerwowa z jej rozległymi wypustkami jest 100 razy szersza niż komórki drożdży rozszczepkowych. (A dzięki uprzejmości Herederos de Santiago Ramón y Cajal, 1899; B dzięki uprzejmości Anne Fleury, Michela Laurenta i André Adoutte'a; C dzięki uprzejmości Kim Findlay; D z: P.J. Hanley i in., Motorized RhoGAP myosin IXb (Myo9b) controls cell shape and motility, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107, 2010, s. 12145-12150; za zgodą National Academy of Sciences; E dzięki uprzejmości Janosa Demetera i Shelley Sazer)
Odkrycia biochemików i biologów molekularnych dostarczyły inteligentnego i prostego rozwiązania tej niezręcznej sytuacji. Choć oglądane z zewnątrz komórki wszystkich istot żywych są niezwykle zróżnicowane, to w swych wnętrzach pozostają zasadniczo podobne. Wiemy obecnie, że komórki są do siebie zadziwiająco podobne pod względem szczegółów przebiegu ich procesów chemicznych. Składają się z tych samych rodzajów cząsteczek, które uczestniczą w tych samych typach reakcji chemicznych (omówionych w rozdz. 2). U wszystkich organizmów informacja genetyczna w formie genów jest przenoszona przez cząsteczki DNA. Informacja ta jest zapisana za pomocą tego samego kodu chemicznego, skonstruowana z tych samych chemicznych bloków budulcowych, interpretowana przez zasadniczo taką samą maszynerię chemiczną i replikowana w taki sam sposób w trakcie rozmnażania komórki lub organizmu. W każdej komórce zatem długie polimeryczne łańcuchy DNA zbudowane są z tego samego zestawu czterech monomerów, nazywanych nukleotydami, powiązanych ze sobą w różne sekwencje, podobnie jak litery alfabetu. Informacja zakodowana w cząsteczkach DNA jest odczytywana lub przepisywana (ang. transcribed) na spokrewniony zestaw polinukleotydów nazywany RNA. Choć niektóre z cząsteczek RNA mają swoje własne funkcje regulatorowe, chemiczne lub strukturalne, to większość ulega przetłumaczeniu (ang. translation) na odmienny typ polimeru nazywany białkiem. Ten przepływ informacji biologicznej - od DNA przez RNA do białka - ma tak podstawowe znaczenie dla życia, że często określa się go mianem podstawowego dogmatu biologii molekularnej (ryc. 1.2).
Ryc. 1.2. We wszystkich żywych komórkach informacja genetyczna przepływa od DNA do RNA (transkrypcja) i od RNA do białka (translacja) - reguła znana jako "podstawowy dogmat biologii molekularnej". Sekwencja nukleotydów w określonym segmencie DNA (gen) jest przepisywana na cząsteczkę RNA, a ta następnie może być przetłumaczona na liniową sekwencję aminokwasów w białku. Pokazano jedynie mały wycinek genu, RNA i białka
Równocześnie, wygląd i zachowanie komórki w największym stopniu zależą od cząsteczek białka, które spełniają wiele różnych funkcji, w tym podpór strukturalnych, katalizatorów chemicznych czy motorów molekularnych. Białka są zbudowane z aminokwasów, a wszystkie organizmy wykorzystują do budowy białek ten sam zestaw 20 aminokwasów. Aminokwasy są jednak połączone w różnych kolejnościach, co sprawia, że każdy typ cząsteczki białka ma swoistą strukturę przestrzenną, inaczej konformację, podobnie jak różna kolejność liter daje różne słowa. W ten sposób ta sama podstawowa maszyneria biochemiczna obsługuje i wspiera całą gamę istot żywych na Ziemi (ryc. 1.3).
Ryc. 1.3. Wszystkie żyjące organizmy są zbudowane z komórek. (A) Kolonia bakterii, (B) motyl, (C) róża i (D) delfin zbudowane są wszystkie z komórek, które mają zasadniczo podobną chemię i działają zgodnie z tymi samymi regułami podstawowymi (A dzięki uprzejmości Janice Carr; D dzięki uprzejmości Jonathana Gordona, IFAW)
Żywe komórki są samopowielającymi się zbiorami katalizatorów
PYTANIE 1.2
Mutacje są pomyłkami w DNA, które zmieniają plan genetyczny obowiązujący w poprzednim pokoleniu. Wyobraź sobie fabrykę butów. Czy oczekiwałbyś, że błędy (tzn. nieumyślne zmiany) w kopiowaniu projektu buta będą prowadzić do udoskonalenia wytwarzanych butów? Uzasadnij odpowiedź.
Jedną z najczęściej przywoływanych właściwości istot żywych jest ich zdolność do rozmnażania. W przypadku komórek proces ten obejmuje powielenie ich materiału genetycznego oraz innych składników komórki, a następnie podział na pół; powstaje para komórek potomnych, które ze swej natury są zdolne do przejścia tego samego cyklu powielającego.
To samopowielenie jest możliwe dzięki szczególnym relacjom między DNA, RNA i białkami, opisanymi przez podstawowy dogmat biologii molekularnej (patrz ryc. 1.2). W DNA zakodowana jest informacja, która ostatecznie kieruje budową białek: sekwencja nukleotydów w cząsteczce DNA określa sekwencję aminokwasów w białku. Białka z kolei katalizują proces replikacji DNA oraz jego transkrypcji do RNA, a także biorą udział w translacji RNA na białka. Ta szczególna pętla sprzężenia zwrotnego między białkami i polinukleotydami leży u podstaw samopowielającego się zachowania istot żywych (ryc. 1.4). Złożoną wzajemną zależność między DNA, RNA i białkami omówimy szczegółowo w rozdziałach od 5 do 8.
Ryc. 1.4. Życie jest procesem autokatalitycznym. DNA i RNA dostarczają informację o sekwencji (zielone strzałki), która jest wykorzystywana do produkcji białek oraz do skopiowania samych siebie. Z kolei białka zapewniają aktywność katalityczną (czerwone strzałki) potrzebną do syntezy DNA, RNA i samych siebie. Czarne strzałki przedstawiają procesy biochemiczne, dzięki którym w komórce powstają nowe cząsteczki DNA, RNA i białek. Razem te pętle sprzężeń zwrotnych tworzą system samopowielający się, który wyposaża żywe komórki w zdolność do namnażania
Poza udziałem w syntezie polinukleotydów i białek białka katalizują także wiele innych reakcji chemicznych, które utrzymują działanie samopowielającego się systemu, ukazanego na rycinie 1.4. Żywa komórka może rozkładać składniki odżywcze i wykorzystywać produkty tego rozkładu do wytworzenia elementów budulcowych niezbędnych do syntezy polinukleotydów, białek i innych składników komórki oraz do wytwarzania energii potrzebnej do zasilania tychże procesów biochemicznych. Szczegóły tych kluczowych reakcji biochemicznych opiszemy w rozdziałach 3 i 13.
Do przeprowadzenia zadziwiającego procesu samopowielenia zdolne są jedynie żywe komórki. Wirusy, które są niczym więcej niż cząsteczkami DNA lub RNA otoczonymi ochronnym płaszczem, nie mają zdolności do reprodukcji swoimi siłami. Zamiast tego wirusy pasożytują na maszynerii reprodukcyjnej komórek, które zaatakowały, by stworzyć kopie samych siebie. Bez wspomagającej je komórki-gospodarza wirusy są bezwolne i dlatego nie są uważane za w pełni żywe. Na nasze nieszczęście te genetyczne zombie nie są zupełnie nieszkodliwe: gdy tylko znajdą się w środku stają się zdolne do uzyskania złośliwej kontroli nad komórką - lub nad organizmem jak wyraźnie pokazało to działanie koronawirusa odpowiedzialnego za pandemię COVID-19 (przedyskutowane dalej w tym rozdziale i w rozdz. 9).
Wszystkie żyjące komórki prawdopodobnie wyewoluowały z tej samej prakomórki
Gdy komórka, przygotowując się do podziału komórkowego, replikuje swój DNA, proces powielania nie zawsze jest doskonały. Czasami instrukcje są źle odczytywane lub ulegają uszkodzeniu poprzez mutacje, które zmieniają sekwencję nukleotydów w DNA. Z tej przyczyny komórki potomne niekoniecznie są dokładnymi replikami komórek rodzicielskich.
W wyniku mutacji może pojawić się potomstwo, które jest zmienione na gorsze (a więc mniej zdolne do przeżycia i reprodukcji), zmienione na lepsze (czyli bardziej zdolne do przeżycia i reprodukcji) lub zmienione neutralnie (a więc odmienne genetycznie, lecz w równym stopniu żywotne). Walka o przeżycie eliminuje to pierwsze, faworyzuje to drugie i toleruje to trzecie. Genami kolejnego pokolenia staną się geny tych, którzy przetrwali.
Dla wielu organizmów wzorzec dziedziczenia może być dodatkowo komplikowany poprzez rozmnażanie płciowe, w którym dwie komórki tego samego gatunku łączą się, uwspólniając ich DNA. W trakcie tego procesu geny od każdego z rodziców zostają połączone, a następnie rozpowszechnione w nowych kombinacjach w kolejnym pokoleniu, by ponownie zostać poddane testowi zdolności do przeżycia i reprodukcji. Mechanizmy tego tasowania genetycznego zostaną omówione w rozdziale 19.
Te proste zasady zmiany genetycznej i selekcji, stosowane wielokrotnie w miliardach pokoleń komórek, są podstawą ewolucji, czyli procesu, w którym żyjące gatunki są stopniowo modyfikowane i przystosowywane do ich środowiska na coraz bardziej wyrafinowane sposoby. Koncepcja ewolucji oferuje zaskakującą, lecz przekonującą odpowiedź na pytanie, dlaczego podstawowe cechy dzisiejszych komórek są tak do siebie podobne: wszystkie one odziedziczyły swe instrukcje genetyczne od tej samej, wspólnej dla wszystkich, prakomórki. Szacuje się, że istniała ona między 3,5 a 3,8 miliarda lat temu, i przyjmuje się, że zawierała prototyp maszynerii molekularnej wykorzystywanej przez całe dzisiejsze życie na Ziemi. Potomkowie owej prakomórki, poprzez bardzo długi proces mutacji i selekcji naturalnej, stopniowo rozeszli się, by zapełnić każde dostępne siedlisko na Ziemi organizmami, które wykorzystują potencjał tej uniwersalnej maszynerii na wydawałoby się nieskończoną mnogość sposobów.
Geny dostarczają instrukcji formie, funkcji oraz zachowaniu komórek i organizmów
Genom komórki, czyli pełna sekwencja nukleotydów w DNA organizmu, wyposaża komórkę w program genetyczny, który instruuje ją, jak ma działać. W komórkach zarodków roślin i zwierząt genom kieruje wzrostem i rozwojem dorosłego organizmu, który zawiera setki różnych typów komórek. W obrębie poszczególnej rośliny czy zwierzęcia komórki te mogą być niezwykle zróżnicowane, co omówimy szczegółowo w rozdziale 20. Komórki tłuszczowe, komórki skóry, komórki kości czy komórki nerwowe wydają się całkowicie do siebie niepodobne. A jednak wszystkie te zróżnicowane typy komórek powstają w trakcie rozwoju zarodkowego z jednej zapłodnionej komórki jajowej i zawierają identyczne kopie DNA danego osobnika. Ich zróżnicowane charakterystyki są efektem odmiennych sposobów wykorzystania instrukcji genetycznych przez poszczególne komórki. W różnych komórkach ulegają ekspresji odmienne geny, co oznacza, że wykorzystują one geny do wytworzenia pewnych, a nie innych RNA i białek, w zależności od ich tożsamości, ich aktualnego stanu wewnętrznego oraz od bodźców, jakie one i ich przodkowie odebrali ze swojego otoczenia - głównie w formie sygnałów od innych komórek organizmu.
DNA zatem nie jest swoistą listą zakupów, która określa, jakie cząsteczki musi wytworzyć każda komórka, a komórka nie jest prostym zbiorowiskiem wszystkich pozycji na tej liście. Każda komórka może wykonywać całe bogactwo zadań biologicznych, w zależności od jej otoczenia i historii, czyniąc to przez selektywne używanie informacji zakodowanej w jej DNA do kierowania swymi aktywnościami. W dalszej części książki przyjrzymy się szczegółowo, jak DNA definiuje zarówno listę części komórki, jak i zasady, które określają, jakie typy komórek wyposażone są w jakie części.
Obserwując budowę komórki
Współcześnie mamy dostęp do wielu potężnych technologii wspomagających odkrywanie reguł, które kierują strukturą i aktywnością komórki. Pierwsi biolodzy komórki zaczynali swe badania od prostych obserwacji tkanek i komórek. Z czasem podejmowali próby rozbijania komórek lub rozkrajania tkanek na skrawki wystarczająco cienkie, by ujrzeć ich zawartość. Wyniki tych pionierskich wysiłków musiały początkowo być dla nich niezmiernie zaskakujące. Cóż bowiem owi wcześni biologowie komórki mieli zrobić z tym zestawem maleńkich zawijasów, plam i dysków - obiektów, których związek z właściwościami żywej materii bez wątpienia wydawał się nieprzeniknioną tajemnicą? Wyjaśnienie wyrafinowanych funkcji owych tajemniczych struktur komórki wymagało kolejnych dziesięcioleci, a nawet stuleci dodatkowych badań. Niemniej ten typ badania wzrokowego materiału biologicznego był pierwszym krokiem do zrozumienia działania komórek i tkanek i do dziś pozostał niezbędny we badaniach biologii komórki.
Komórek jako takich nie dało się obserwować bezpośrednio aż do siedemnastego wieku, gdy wynaleziono instrument, który nazywamy mikroskopem. Przez kolejne setki lat wszystko, co wiemy o komórkach, odkrywano przy użyciu tego przyrządu. Mikroskopy świetlne wykorzystują światło widzialne do oświetlenia preparatów i to one po raz pierwszy umożliwiły biologom ujrzenie w komórce złożonych i wzajemnie zależnych struktur, które stanowią podstawę wszystkich istot żywych.
PYTANIE 1.3
Rozpocząłeś ambitny projekt badawczy: stworzyć życie w probówce. Gotujesz w kolbie bogatą mieszaninę ekstraktu drożdżowego i aminokwasów z odrobiną soli nieorganicznych, o których wiadomo, że są niezbędne do życia. Zapieczętowujesz kolbę i dajesz jej ostygnąć. Po kilku miesiącach płyn jest czysty i nie ma w nim żadnych oznak życia. Przyjaciel sugeruje, że błędem było wykluczenie powietrza, gdyż większość znanego nam życia wymaga tlenu. Powtarzasz zatem doświadczenie, pozostawiając tym razem kolbę otwartą. Ku twojej wielkiej radości, płyn staje się mętny już po kilku dniach, a pod mikroskopem widzisz piękne małe komórki, które rosną i dzielą się. Czy to doświadczenie udowadnia, że w jakiś sposób udało ci się wytworzyć nową formę życia? W jaki sposób mógłbyś tak przeprojektować doświadczenie, by umożliwić dostęp powietrza do kolby, a równocześnie wyeliminować możliwość, że wyjaśnieniem wyników jest zanieczyszczenie zawartości kolby mikroorganizmami z powietrza (zanim przygotujesz ostateczną odpowiedź, przyjrzyj się klasycznym doświadczeniom Ludwika Pasteura)?
Choć obecne mikroskopy zawierają wiele wyrafinowanych udoskonaleń, to właściwości światła, w szczególności długość fali, ograniczają jakość szczegółów, które mogą zostać ujawnione - przy użyciu światła widzialnego po prostu jest niemożliwe rozróżnienie obiektów poniżej pewnego progu rozdzialczości. Wynalezione w latach 30. XX wieku mikroskopy elektronowe pokonują to ograniczenie poprzez wykorzystanie strumieni elektronów, zamiast światła, jako źródła oświetlenia; ponieważ długość fali dla strumienia elektronów jest znacznie mniejsza, takie mikroskopy bardzo poprawiają naszą zdolność do ujrzenia drobnych szczegółów budowy komórek, a niekiedy umożliwiają dostrzeżenie niektórych pojedynczych większych cząsteczek.
W tym podrozdziale opiszemy różne rodzaje mikroskopii świetlnej i elektronowej. Te niezbędne narzędzia współczesnej biologii komórki są stale ulepszane, dzięki czemu ujawniają nowe, niekiedy zaskakujące dane o budowie i działaniu komórki.
Wynalezienie mikroskopu świetlnego doprowadziło do odkrycia komórek
W XVII wieku soczewki szklane były już na tyle dobre, by umożliwić wykrycie struktur niewidocznych gołym okiem. Używając instrumentu wyposażonego w taką soczewkę, Robert Hooke zbadał fragment korka i w 1665 roku poinformował Towarzystwo Królewskie w Londynie (The Royal Society of London), że korek jest złożony z mnóstwa maleńkich przedziałów. Nazwał te przedziały "komórkami" (ang. cells), gdyż przypominały mu cele zajmowane przez mnichów w klasztorach. Nazwa się przyjęła, mimo że struktury, które opisał Hooke, właściwie były ścianami komórkowymi, które pozostały po śmierci protoplastów żyjących w ich obrębie. W kolejnych latach Hooke i inni biolodzy używający mikroskopu mieli możliwość, po raz pierwszy w historii, podziwiać różnorodność typów żyjących komórek. Antoni van Leeuwenhoek - holenderski uczony - odkrył na przykład, że nawet pojedyncza kropla wody ze stawu stanowi wcześniej nie widziany świat wypełniony ruchliwymi mikroskopijnymi organizmami - wirującymi, koziołkującymi, a od czasu do czasu wydzielającymi coś na zewnątrz w ich nieustannych wysiłkach, by pozostać żywymi.
Przez prawie 200 lat takie urządzenia - mikroskopy świetlne - pozostały dość egzotycznymi instrumentami, dostępnymi jedynie dla niewielu zamożnych ludzi. Dopiero w XIX wieku zaczęto powszechnie używać mikroskopów do obserwacji komórek. Ukształtowanie się biologii komórki jako odrębnej dyscypliny naukowej było procesem stopniowym, do czego przyczyniło się wiele osób. Zwykle mówi się, że jej oficjalne narodziny zostały ogłoszone w dwóch publikacjach: pierwszej - botanika Matthiasa Schleidena z 1838 roku, i drugiej - zoologa Theodora Schwanna z 1839 roku. W tych publikacjach Schleiden i Schwann udokumentowali wyniki systematycznych badań tkanek roślin i zwierząt przy użyciu mikroskopu świetlnego, pokazując, że komórki są uniwersalnymi elementami budulcowymi wszystkich żywych tkanek. Ich prace, a także prace innych XIX-wiecznych mikroskopistów, powoli doprowadziły do zrozumienia, że wszystkie żywe komórki powstają przez wzrost i podział już istniejących komórek - zasadę tę określa się niekiedy mianem teorii komórkowej (ryc. 1.5). Idea, że żywe organizmy nie powstają spontanicznie, ale mogą być tworzone jedynie przez istniejące organizmy, była ostro kwestionowana, ale ostatecznie została potwierdzona w latach 60. XIX wieku w serii eleganckich doświadczeń Ludwika Pasteura (patrz pytanie 1.3).
Ryc. 1.5. Nowe komórki tworzą się przez wzrost i podział wcześniej istniejących komórek. (A) W 1880 roku Edward Strasburger narysował dzielącą się żywą komórkę roślinną (komórka włoska z kwiatu trzykrotki - Tradescantia), którą obserwował przez 2,5 godziny. We wnętrzu komórki można ujrzeć DNA (kolor czarny) ulegający kondensacji do chromosomów, które następnie są rozdzielane do dwóch komórek potomnych[1]. (B) Porównywalna komórka roślinna sfotografowana przy użyciu współczesnego mikroskopu świetlnego (B z: P.K. Hepler, Calcium restriction prolongs metaphase in dividing Tradescantia stamen hair cells, Journal of Cell Biology, 100, 1985, s. 1363-1368, za zgodą Rockefeller University Press)
Zasada, że komórki tworzą się wyłącznie z wcześniej istniejących komórek i dziedziczą ich właściwości, leży u podstaw całej biologii i nadaje jej wyjątkowy wymiar: w biologii wszystkie pytania o teraźniejszość są nieuchronnie powiązane z pytaniami o warunki panujące w przeszłości. By zrozumieć, dlaczego współczesne komórki i organizmy zachowują się tak, a nie inaczej, musimy zrozumieć całą ich historię sięgającą mglistych początków pierwszych komórek na Ziemi. Kluczowy wgląd, który uczynił tę historię zrozumiałą, zawdzięczamy Karolowi Darwinowi. Jego teoria ewolucji, opublikowana w 1859 roku, wyjaśnia, w jaki sposób przypadkowa zmienność i selekcja naturalna doprowadziły do zróżnicowania organizmów mających wspólne pochodzenie. W połączeniu z teorią komórkową teoria ewolucji kieruje nas ku myśleniu o całym życiu, od jego początków do dnia dzisiejszego, jako o jednym ogromnym drzewie genealogicznym poszczególnych komórek. Choć ta książka jest przede wszystkim o tym, jak dziś funkcjonują komórki, motyw ewolucji będzie się w niej przewijał nieustannie, gdyż ewolucja wyjaśnia, w jaki sposób komórki uzyskały swe cechy charakterystyczne.
Mikroskopy świetlne ujawniają niektóre składniki komórki
Gdy w mikroskopie świetlnym ogląda się bardzo cienki skrawek odpowiedniej tkanki roślinnej lub zwierzęcej, natychmiast rzuca się w oczy to, że tkanka ta jest podzielona na tysiące małych komórek. W niektórych przypadkach komórki są ściśle upakowane, a niekiedy rozdzielone jedna od drugiej macierzą zewnątrzkomórkową - gęstą materią złożoną często z włókien białkowych zanurzonych w żelu utworzonym z długich łańcuchów cukrowych. Każda komórka ma zwykle 5-20 ?m średnicy. Jeśli obserwacje prowadzi się w warunkach utrzymujących próbkę przy życiu, to można zauważyć cząstki przemieszczające się we wnętrzach poszczególnych komórek. Okazjonalnie można nawet ujrzeć komórkę, która powoli zmienia swój kształt i dzieli się na dwie (patrz ryc. 1.5).
Określenie wewnętrznej struktury komórki jest trudne, nie tylko dlatego, że jej części są małe, ale także dlatego, że są one przeźroczyste i najczęściej bezbarwne. Jednym ze sposobów poradzenia sobie z tym problemem jest użycie barwników, które różnie wybarwiają określone składniki komórki (ryc. 1.6). Alternatywnie można wykorzystać obserwację, że składniki komórki różnią się od siebie współczynnikiem załamania światła, podobnie jak szkło ma inny współczynnik załamania światła niż woda, dzięki czemu promienie światła ulegają ugięciu przy przechodzeniu z jednego ośrodka do drugiego. Drobne różnice we współczynniku załamania światła można uwidocznić przy użyciu wyspecjalizowanych technik optycznych, a uzyskane obrazy jeszcze bardziej uszczegółowić poprzez obróbkę elektroniczną (ryc. 1.7A).
Typowe komórki zwierzęce, zobrazowane przy użyciu wspomnianych technik, mają odmienną budowę, jak pokazano na rycinach 1.6B i 1.7A. Mają ostro zarysowane granice, wskazujące na obecność otaczającej błony, zwanej błoną komórkową. W okolicach środka komórki występuje duża okrągła struktura - jądro komórkowe. Wokół jądra znajduje się cytoplazma - zajmująca całe wnętrze komórki - przeźroczysta substancja wypełniona czymś, co na pierwszy rzut oka wydaje się gmatwaniną różnorodnych obiektów. Używając dobrego mikroskopu świetlnego, można dokonać rozróżnienia i klasyfikacji pewnych określonych składników w cytoplazmie. Niestety, struktur mniejszych niż ok. 0,2 ?m - około połowy długości fali światła widzialnego - nie można normalnie rozdzielić; innymi słowy, nie można ich wyróżnić wśród otaczających obiektów i widać je jako pojedynczą plamkę.
Ryc. 1.5. Nowe komórki tworzą się przez wzrost i podział wcześniej istniejących komórek. (A) W 1880 roku Edward
Strasburger narysował dzielącą się żywą komórkę roślinną (komórka włoska z kwiatu trzykrotki - Tradescantia), którą obserwował przez 2,5 godziny. We wnętrzu komórki można ujrzeć DNA (kolor czarny) ulegający kondensacji do chromosomów, które następnie są rozdzielane do dwóch komórek potomnych[2]. (B) Porównywalna komórka roślinna sfotografowana przy użyciu współczesnego mikroskopu świetlnego (B z: P.K. Hepler, Calcium restriction prolongs metaphase in dividing Tradescantia stamen hair cells,
Journal of Cell Biology, 100, 1985, s. 1363-1368, za zgodą Rockefeller University Press)
Ryc. 1.6. Komórki tworzą tkanki u roślin i zwierząt. (A) Komórki w wierzchołku korzeniowym paproci. Zawierające DNA jądra komórkowe są wybarwione na czerwono, a każda komórka jest otoczona cienką ścianą komórkową (kolor jasnoniebieski). Czerwone jądra komórkowe gęsto upakowanych komórek są widoczne w dolnych rogach preparatu. (B) Komórki w kanalikach ludzkiej nerki zbierające mocz. Każdy kanalik na tym skrawku wygląda jak pierścień ściśle upakowanych komórek (z jądrami komórkowymi wybarwionymi na ciemnoniebiesko). Pierścienie otoczone są macierzą zewnątrzkomórkową, wybarwioną na jasnopurpurowo, która zawiera rozrzucone komórki wytwarzające większość składników macierzy (A dzięki uprzejmości Jamesa Mausetha; B Jose Luis Calvo/Shutterstock)
W ostatnich latach skonstruowano jednak nowe typy mikroskopu świetlnego, zwane mikroskopami fluorescencyjnymi, które wykorzystują wyrafinowane metody oświetlenia preparatu oraz elektroniczną obróbkę obrazu do ujawnienia znakowanych fluorescencyjnie składników komórki ze znacznie większą dokładnością (ryc. 1.7B). Przykładowo w najnowszych fluorescencyjnych mikroskopach superrozdzielczych próg rozdzielczości można jeszcze bardziej obniżyć, schodząc do około 20 nanometrów (nm). Jest to wielkość pojedynczego rybosomu, dużego kompleksu wielkocząsteczkowego, w którym RNA ulega translacji do białek. Techniki superrozdzielcze zostały szczegółowo opisane w panelu 1.1 (s. 14).
Ryc. 1.7. Niektóre ze struktur wewnętrznych komórki można ujrzeć w mikroskopie świetlnym. (A) Komórka pobrana z ludzkiej skóry rosła w hodowli i została sfotografowana w mikroskopie świetlnym wykorzystującym optykę kontrastu interferencyjno-różniczkowego (opisaną w panelu 1.1, s. 14). Szczególnie widoczne jest jądro komórkowe oraz małe owalne jąderko w jego obrębie (omówione w rozdz. 5, patrz panel 1.2, s. 30). (B) Komórka pigmentowa żaby wybarwiona barwnikami fluorescencyjnymi i obserwowana we fluorescencyjnym mikroskopie konfokalnym (opisany w panelu 1.1). Jądro komórkowe widoczne jest na purpurowo, ziarna barwnika - na czerwono, a mikrotubule - grupa białek włóknistych w cytoplazmie - na zielono (A dzięki uprzejmości Casey Cunningham; B dzięki uprzejmości Stephena Rogersa i Imaging Technology Group, Beckman Institute, University of Illinois, Urbana)
Szczegóły struktury komórki można ujawnić w mikroskopie elektronowym
Aby uzyskać maksymalne powiększenia i najlepszą rozdzielczość, trzeba skorzystać z mikroskopu elektronowego, w którym można ujawnić szczegóły o wielkości kilku nanometrów. Przygotowanie preparatów komórkowych do mikroskopu elektronowego jest żmudnym procesem. Już do mikroskopu świetlnego tkankę często należy utrwalić, tj. zakonserwować przez zanurzenie w reaktywnym roztworze chemicznym, zatopić w podtrzymującym wosku lub żywicy, podzielić lub pociąć na cienkie skrawki i wybarwić przed obserwacją (tak spreparowano tkanki pokazane na ryc. 1.6). Do mikroskopu elektronowego wymagane są podobne procedury, ale przygotowywane skrawki muszą być znacznie cieńsze i nie ma możliwości obserwowania żywych komórek.
Gdy skrawki zostaną już pocięte, wybarwione gęstymi elektronowo metalami ciężkimi i umieszczone w mikroskopie elektronowym, pozornie chaotyczne zbiorowisko składników komórki ulega nagle precyzyjnemu rozdzieleniu na rozróżnialne organelle - oddzielne, rozpoznawalne substruktury o wyspecjalizowanych funkcjach, które często są ledwo definiowalne przy użyciu konwencjonalnego mikroskopu świetlnego. Zauważyć można błonę komórkową otaczającą komórkę, a podobne błony, zwane błonami wewnętrznymi, tworzą wyraźne granice wokół wielu organelli wewnątrz komórki (ryc. 1.8A i B). Wszystkie te błony są grube jedynie na dwie cząsteczki - zaledwie około 5 nm, jak opisano w rozdziale 11. Wraz ze wzrostem rozdzielczości, przy użyciu mikroskopu elektronowego można nawet ujrzeć poszczególne duże cząsteczki (ryc. 1.8C).
Typ mikroskopu elektronowego używany do oglądania cienkich skrawków znany jest jako transmisyjny mikroskop elektronowy. Urządzenie to jest w zasadzie podobne do mikroskopu świetlnego z tą różnicą, że do oświetlenia próbki wykorzystuje strumień elektronów, a nie promienie światła. Inny typ mikroskopu elektronowego - skaningowy mikroskop elektronowy - rozprasza elektrony na powierzchni próbki i jest używany do oglądania szczegółów powierzchni komórek oraz innych struktur. Techniki te wraz z różnymi formami mikroskopii świetlnej zostały omówione w panelu 1.1 (s. 14).
Ryc. 1.8. Dokładną budowę komórki można obserwować w transmisyjnym mikroskopie elektronowym. (A) Cienki skrawek komórki wątroby ukazuje mnogość widocznych szczegółów budowy komórki. Wybrane składniki komórki, o których będziemy mówić w dalszej części tego rozdziału, zostały oznakowane; można je zidentyfikować poprzez ich rozmiary, ulokowanie i kształt. (B) Niewielki obszar cytoplazmy oglądany przy większym powiększeniu. Najmniejszymi, wyraźnie widocznymi strukturami są rybosomy, z których każdy zbudowany jest z 80-90 odrębnych białek i cząsteczek RNA; niektóre rybosomy występują wolno w cytoplazmie, podczas gdy inne są związane z otoczoną błoną organellą - retikulum endoplazmatycznym - omówionym w dalszej części (patrz ryc. 1.23). (C) Część podobnej do nici długiej cząsteczki DNA, wyizolowanej z komórki i oglądanej w mikroskopie elektronowym. DNA został sztucznie pogrubiony, by poprawić jego widoczność (A i B za zgodą E.L. Bearer i Daniela S. Frienda; C dzięki uprzejmości Mei Lie Wong)
Większość konwencjonalnych mikroskopów elektronowych nie może ukazać poszczególnych atomów budujących cząsteczki biologiczne (ryc. 1.9). Aby badać najważniejsze składniki komórki z rozdzielczością atomową, biologowie rozwinęli jeszcze bardziej wyrafinowane narzędzia. Takie techniki, jak na przykład krystalografia rentgenowska czy też ulepszona forma mikroskopii elektronowej zwana kriotomografią elektronową, mogą być używane do precyzyjnego umiejscowienia atomów w obrębie struktury przestrzennej cząsteczek i kompleksów białkowych (omówione w rozdz. 4).
Ryc. 1.9. Jak duże są komórki i ich składowe? (A) Wykres określa wielkości komórek i ich części składowych, jednostki, w których są mierzone, oraz narzędzia niezbędne do ich wizualizacji. (B) Schematy nadają poczucie skali wielkości rozciągających się pomiędzy żywymi komórkami i atomami. Każdy panel pokazuje obraz, który jest powiększony 10-krotnie w porównaniu z poprzednim, umożliwiając podróż wyobraźni od kciuka, poprzez skórę, komórki skóry, mitochondrium, rybosom, a kończąc na grupie atomów tworzących część jednej z wielu cząsteczek białka w naszych ciałach. Zauważ, że rybosomy są obecne zarówno we wnętrzu mitochondriów (jak pokazano), jak i w cytozolu
Drzewo życia
Gdy Darwin powrócił ze swojej ekspedycji na HMS Beagle, zrobił w notatniku szkic zwykłego drzewa, a nad nim umieścił napis "Myślę". Koncepcja, którą próbował przemyśleć, miała z czasem przyjąć postać ewolucji: idei, że wszystkie żyjące gatunki powstają ze wspólnych przodków, tak jak gałązki wyrastają z istniejących gałęzi drzew. Niektóre z tych gałązek są tak żywotne i silne, że wyrosną w dorodne konary, które dadzą początek nowym gałązkom - gatunkom; inne obumrą i spadną na ziemię, tak jak wymarłe gatunki, lecz pozostawią po sobie szczątki, które mogą zostać zachowane w zapisie kopalnym. Chociaż każda gałąź tego drzewa jest unikatowa, wszystkie są ze sobą spokrewnione i tworzą genealogiczne drzewo rodzinne łączące wszystkie formy życia, które rozprzestrzeniły się na naszej planecie i - jak to ujął Darwin w O pochodzeniu gatunków - "pokrywają jej powierzchnię coraz piękniejszymi i rozwidlającymi się odgałęzieniami".
W tym podrozdziale opiszemy - w najbardziej ogólnym zakresie - zróżnicowanie organizmów na naszej planecie. Przedyskutujemy charakterystyczne cechy definiujące czy też wyróżniające główne konary rodowego drzewa życia i pokrótce opiszemy sposoby życia i rodowody organizmów, które stanowią każde z odgałęzień. Ponieważ schematy genetyczne dla wszystkich organizmów są zapisane w uniwersalnym języku DNA, tę informację potrafimy łatwo odczytać przy użyciu współczesnych metod sekwencjonowania. Dzięki temu mamy obecnie możliwość dokładnego scharakteryzowania i skatalogowania cech, procesów i sposobów odróżniających istoty żywe między sobą, ale również tych, które czynią je podobnymi do siebie. Badając te związki i relacje, możemy zacząć przypisywać wszystkim organizmom - tym żyjącym obecnie i tym żyjącym w przeszłości - ich właściwe miejsce na drzewie życia.
Drzewo życia ma trzy główne odgałęzienia
Przez większą część historii ludzkości świat żywy klasyfikowany był na podstawie wyglądu zewnętrznego. Ryba ma szczęki, oczy, kręgosłup i mózg; podobnie mają ludzie, ale dżdżownica już nie. Krzew róży bardziej przypomina jabłoń niż źdźbło trawy. Określenie takich widocznych cech rozpoznawczych jest z pewnością dobrą metodą rozpoczęcia badań świata przyrody. To właśnie tego typu obserwacje nakierowały Darwina na jego rewolucyjną teorię ewolucji.
Gdy jednak różnice między organizmami stają się większe, coraz trudniej jest ustalić powiązania między nimi. Czy kędzierzawa pleśń rosnąca w słoiku dżemu jest bardziej podobna do słonecznika czy do pantery śnieżnej? Czy rekin jest bliżej spokrewniony z rozgwiazdą czy z kaszalotem? A co się dzieje, gdy organizmy wyglądają zadziwiająco podobnie? Gdy przyjrzymy się bakteriom, to na przykład jedna malutka, pałeczkowata komórka może być nieodróżnialna od innej, przynajmniej na wygląd.
Rozwiązaniem jest ich współdzielona maszyneria chemiczna: ponieważ wszystkie organizmy przechowują informację genetyczną w postaci DNA, analiza genomów stanowi proste, lecz potężne zarazem narzędzie do oceny stopnia pokrewieństwa. Pełne sekwencje genomów tysięcy różnych organizmów zostały już zebrane i są przechowywane w publicznych bazach danych. Z pomocą komputerów sekwencje DNA z jednego organizmu mogą być szybko i łatwo porównane z ich odpowiednikami z dowolnych innych organizmów. Ponieważ DNA ulega przypadkowym mutacjom, które zmieniają te sekwencje, analiza różnic między sekwencjami DNA dowolnych dwóch organizmów może dać bezpośrednią miarę dystansu ewolucyjnego, jaki je dzieli. Tematem tym zajmiemy się dokładniej w rozdziale 9.
Panel 1.1. Mikroskopia
Ryc. 1.10. Porównanie sekwencji genomowych daje rodzinne drzewo życia, które obejmuje trzy główne odgałęzienia. Wszystkie organizmy na Ziemi mogą być przypisane do jednej z trzech domen: bakterii, archeonów i eukariontów. Z tych trzech, najbardziej zróżnicowana jest domena bakterii (niebieska), współmiernie do ich zdolności do skolonizowania niemal każdej dostępnej niszy ekologicznej na planecie. Obecnie odkrywa się - poprzez sekwencjonowanie DNA z próbek środowiskowych - tak wiele nowych gatunków bakterii i archeonów (żółty), że wiele z nich nie ma nawet jeszcze swojej nazwy. Eukarionty (różowy) stanowią zauważalnie mały fragment ogólnego zróżnicowania gatunków na świecie; biorąc pod uwagę ich bliskie pokrewieństwo z archeonami niektórzy naukowcy proponują, by połączyć eukarionty z archeonami w jedną domenę. Na tym rysunku długości gałęzi są proporcjonalne do różnic między genomami oszacowanych na podstawie sekwencjonowania wspólnych genów, które da się zidentyfikować i porównać u wielu różnych gatunków (omówione w rozdz. 9). Wierzchołki gałęzi odpowiadają poszczególnym gatunkom, lecz dla przejrzystości obrazu pokazano jedynie drobny podzbiór wszystkich gatunków na Ziemi. Pokazano również pozycję niektórych gatunków, które omawiane są w tym rozdziale, jak również w całej książce (zaadaptowane z: C.J. Castelle i J.F. Banfield, Major New Microbial Groups Expand Diversity and Alter our Understanding of the Tree of Life, Cell, 172, 2018, s. 1181-1197)
Takie podejście badawcze ujawniło, że świat istot żywych składa się z trzech głównych odgałęzień, albo inaczej domen: eukariontów, bakterii i archeonów (ryc. 1.10). Choć w tej książce zajmujemy się głównie eukariontami, to pod względem różnorodności genetycznej stanowią one najmniejszą domenę tego złożonego drzewa życia.
Eukarionty stanowią domenę życia najlepiej nam znaną
Istoty żywe, które na co dzień widzimy wokół nas to eukarionty - od roślin, które kwitną w naszych ogrodach po twarz, której odbicie codziennie spogląda na nas z lustra. Nazwa wywodzi się z greckich słów eu, oznaczających "dobrze" lub "właściwie" oraz karyon - "orzech" lub "jądro". Komórki eukariotyczne przechowują swój DNA w otoczonej błoną organelli zwanej jądrem komórkowym. Ponieważ tę strukturę można zauważyć w komórce używając mikroskopu świetlnego, jej obecność lub brak okazała się oczywistym i prostym sposobem początkowej klasyfikacji organizmów żywych: te, których komórki mają jądro komórkowe nazywane są eukariontami, a te, które jądra komórkowego nie mają nazwano prokariontami (od greckiego pro oznaczającego "przed"). Dzięki sekwencjonowaniu DNA wiemy obecnie, że świat prokariontów tak naprawdę obejmuje i bakterie, i archeony - dwie pozostałe domeny życia.
Komórki eukariotyczne są, generalnie, znacznie większe niż bakterie i archeony. Również ich genomy są znacznie większe: genomy ludzi czy koralowców zawierają około 20 000 genów, podczas gdy bakteria Escherichia coli posługuje się jedynie 4300 genami.
Gdy zastanawiamy się nad eukariontami, najczęściej do głowy przychodzą nam zwierzęta - być może dlatego, że sami nimi jesteśmy. Tymczasem, zadziwiająco wielka liczba jednokomórkowych, mikroskopijnych form życia to również eukarionty, włączając w to wiele żyjących w stawie stworzeń, które po raz pierwszy ujrzał van Leeuwenhoek kilkaset lat temu. Do rodziny eukariotycznej należą grzyby, takie jak pieczarki czy drożdże, których używamy do zrobienia piwa czy chleba, a także rośliny. Co więcej, większość biomasy na Ziemi jest zgromadzona w roślinach. Wyniki sekwencjonowania DNA w połączeniu z rezultatami innych zaawansowanych badań sugerują, że nasza planeta utrzymuje około 550 gigaton węgla - węgiel zaś jest tym pierwiastkiem, na którym opiera się maszyneria chemiczna życia, co opiszemy w rozdziale 2. Choć zwykle odważamy związki chemiczne w bardzo małych ilościach - gramach lub nawet miligramach czy mikrogramach - ilość węgla na planecie jest niewyobrażalnie wielka: jedna gigatona to bilion kilogramów (1012). Jeżeli przyjmiemy, że jeden słoń waży 5 ton (5 x 103 kg), to jedna gigatona jest ekwiwalentem 200 000 000 słoni! Z tych ponad 500 gigaton węgla na Ziemi, 70 gigaton zgromadzonych jest w bakteriach, 7 gigaton - w archeonach, a imponujące 450 gigaton - w roślinach. Zwierzęta gromadzą jedynie 2 gigatony ziemskiej biomasy - upokarzająco niewielką ilość.
Bakterie stanowią najbardziej zróżnicowaną grupę organizmów na Ziemi
PYTANIE 1.4
Bakteria waży około 10-12 g i może dzielić się co 20 minut. Jeżeli pojedyncza komórka bakteryjna będzie dzielić się w tym tempie, ile czasu upłynie, zanim masa bakterii zrówna się z masą Ziemi (6 × 1024 kg)? Przeciwstaw swój wynik obserwacji, że bakterie pojawiły się co najmniej 3,5 miliarda lat temu i dzielą się od tamtego czasu. Wyjaśnij ten pozorny paradoks (liczba komórek N w hodowli w czasie t jest wyrażona wzorem N = N0 × 2t/G, gdzie N0 jest liczbą komórek w czasie 0, a G - czasem podwojenia populacji).
Jednym z największych zaskoczeń przy rekonstruowaniu drzewa życia z wykorzystaniem sekwencjonowania DNA okazało się odkrycie, że świat bakterii jest znacznie bardziej zróżnicowany ewolucyjnie w porównaniu do świata eukariontów. Wiemy obecnie, że ta ogromna różnorodność odzwierciedla bardzo wczesne pojawienie się bakterii w ewolucyjnej historii planety: dowody sugerują, że bakterie są w naszym świecie co najmniej od 3,5 miliarda lat, od czasów, gdy Ziemia przechodziła swój okres niemowlęcy.
Bakterie (l. poj. bakteria) są najogólniej bardzo małe, mają zaledwie kilka mikrometrów długości i są niewidoczne gołym okiem. Większość żyje jako organizmy jednokomórkowe, ale niektóre łączą się tworząc paciorki, pakiety lub inne struktury wielokomórkowe. Zazwyczaj bakterie są sferyczne, pałeczkowate lub skręcone jak korkociąg (ryc. 1.11). Często mają one mocną otoczkę ochronną lub ścianę komórkową, która otacza błonę komórkową zamykającą pojedynczy przedział zawierający cytoplazmę i DNA. W mikroskopie elektronowym wnętrze komórki wygląda jak macierz o zmiennej teksturze, bez rzucającej się w oczy wewnętrznej organizacji strukturalnej (ryc. 1.12).
Ryc. 1.11. Bakterie mają różne kształty i wielkości. Typowe bakterie paciorkowe, pałeczkowate i krętkowate przedstawione w odpowiedniej skali. Zwinięte helikalnie komórki (krętki) są organizmami, które powodują syfilis
Ryc. 1.12. Bakteria Escherichia coli (E. coli) jest ważnym organizmem modelowym. Ukazano przekrój podłużny bakterii widziany w mikroskopie elektronowym; DNA komórki jest zgromadzony w regionie jaśniej wybarwionym. Zauważ, że E. coli ma błonę zewnętrzną i wewnętrzną (błonę komórkową) z cienką ścianą komórkową pomiędzy nimi. Wiele wici rozmieszczonych na powierzchni komórki nie jest tutaj widocznych (dzięki uprzejmości E. Kellenberger)
Ryc. 1.13. Niektóre bakterie przeprowadzają fotosyntezę. (A) Anabaena cylindrica tworzy długie, wielokomórkowe łańcuchy. Ta mikrografia z mikroskopu świetlnego pokazuje wyspecjalizowane komórki, które albo wiążą azot (tzn. przechwytują N2 z atmosfery i włączają go do związków organicznych; oznaczone H), albo wiążą CO2 poprzez fotosyntezę (oznaczone V), bądź też stają się odpornymi sporami (oznaczone S), które mogą przetrwać w niekorzystnych warunkach. (B) Mikrografia elektronowa spokrewnionego gatunku, Phormidium laminosum, ukazuje błony wewnątrzkomórkowe, na których zachodzi fotosynteza. Jak uwidoczniono na tych mikrografiach, niektóre prokarionty mogą mieć błony wewnątrzkomórkowe i tworzyć proste organizmy wielokomórkowe (A dzięki uprzejmości Davida Adamsa; B dzięki uprzejmości D.P. Hill i C.J. Howe)
Choć pod względem kształtu i struktury bakterie wydają się proste i ograniczone, to pod względem chemicznym są niewiarygodnie wyrafinowane. Niektóre są tlenowcami, które używają tlen do utleniania cząsteczek pożywienia, niektóre zaś ścisłymi beztlenowcami i giną w obecności najmniejszych ilości tlenu. Praktycznie każdy zawierający węgiel materiał organiczny - od drewna do ropy naftowej - może być wykorzystany jako pożywienie przez ten czy inny rodzaj bakterii. Co zadziwiające, niektóre mogą przeżyć wyłącznie na substancjach nieorganicznych: uzyskać węgiel z atmosferycznego CO2, azot z N2 w atmosferze, a tlen, wodór, siarkę i fosfor z powietrza, wody i minerałów nieorganicznych. Niektóre bakterie przeprowadzają fotosyntezę, wykorzystując energię światła słonecznego do wytwarzania cząsteczek organicznych z CO2, co jest strategią przypisywaną roślinom (ryc. 1.13); inne czerpią energię z reaktywnych chemicznie substancji nieorganicznych w środowisku (ryc. 1.14). W każdym przypadku jednak bakterie odgrywają zasadniczą i wyjątkową rolę w "gospodarce" żywnościowej życia na Ziemi, gdyż inne żywe organizmy są zależne od związków organicznych, które te wszechstronne komórki wytwarzają z materiałów nieorganicznych.
Ryc. 1.14. Bakteria siarkowa uzyskuje energię z siarkowodoru (H2S). Beggiatoa, bakteria zasiedlająca środowiska siarkowe, utlenia H2S, by wytworzyć siarkę i może wiązać węgiel nawet w ciemnościach. Na tej mikrografii świetlnej we wnętrzu tych dwóch komórek bakteryjnych można zobaczyć żółte depozyty siarki (dzięki uprzejmości Ralpha S. Wolfe'a)
Bakterie mogą wykorzystywać niezwykle zróżnicowane siedliska, od gorących źródeł w Parku Narodowym Yellowstone po wnętrza innych żywych komórek i organizmów. Niektóre z takich związków mogą być szkodliwe dla gospodarzy. W średniowieczu bakterie wywołujące dżumę spowodowały śmierć połowy populacji ludzkiej w Europie; w czasach dzisiejszych różne bakterie wywołują wiele chorób u ludzi od cholery i krztuśca po gruźlicę. Jednak niektóre bakterie przynoszą nam korzyść. Tysiące różnych gatunków bakterii zamieszkuje naszą skórę i nasz przewód pokarmowy, gdzie stymulują one prawidłowe reakcje układu immunologicznego. Jak omówimy w dalszej części rozdziału, przypuszcza się, że mitochondria - organelle, które wytwarzają energię w komórkach eukariotycznych - wyewoluowały z bakterii tlenowych, które przystosowały się do życia we wnętrzu beztlenowej prakomórki. Tak więc nasz własny metabolizm może być uważany za wytwór aktywności organelli, której ewolucyjne pierwociny możemy przypisać komórce bakteryjnej.
Bakterie znacznie przewyższają liczebnie wszystkie organizmy eukariotyczne na Ziemi nie tylko dlatego, że są małe i żyją tu znacznie dłużej, lecz przede wszystkim dlatego, że namnażają się niezwykle szybko. W optymalnych warunkach, gdy nie brakuje pożywienia, komórka bakteryjna może się powielać nawet co 20 minut. A zatem w ciągu zaledwie 11 godzin pojedyncza bakteria może dać początek ponad 8 miliardom komórek potomnych (to przekracza obecną liczbę wszystkich ludzi na Ziemi). Dzięki ich wielkiej liczbie, szybkiemu namnażaniu i zdolności do wymiany fragmentów materiału genetycznego w procesie podobnym do rozmnażania płciowego populacje bakterii mogą szybko ewoluować, nabywając zdolności do wykorzystania nowego źródła pożywienia lub do oparcia się zabójczemu działaniu nowego antybiotyku, jak omówimy to w rozdziale 9.
Świat archeonów jest najbardziej tajemniczą domeną życia
Z trzech domen życia, domena archeonów (łac. archea) pozostaje najsłabiej poznaną. Większość należących tu organizmów została zidentyfikowana jedynie na podstawie sekwencjonowania DNA z próbek środowiskowych, włączając w to próbki zebrane z powierzchni oceanów, czy też wyciągnięte z wrzących kominów hydrotermalnych nad szczelinami w skorupie Ziemi wzdłuż najciemniejszych głębin dna oceanu. Podobnie jak bakterie, archeony, o których wiemy najwięcej, są małe i pozbawione wewnętrznych, otoczonych błoną organelli, które są cechą wyróżniającą eukarionty. Ale archeony różnią się także od bakterii na wiele różnych sposobów, włączając w to odmienny skład chemiczny ich ścian komórkowych czy lipidów, które budują ich błony, a także zakres reakcji chemicznych, które mogą przeprowadzać.
Początkowo biologowie uważali, że archeony zamieszkują jedynie najbardziej ekstremalne siedliska na Ziemi: gorący kwas źródeł wulkanicznych, pozbawione powietrza głębie osadów morskich, osad z oczyszczalni ścieków, lodowate baseny poniżej zamarzniętej powierzchni Antarktydy, jak również kwaśne, pozbawione tlenu środowisko żołądka krowy, w którym rozbijają połkniętą celulozę i wytwarzają gazowy metan. Wiele z tych nieprzyjaznych środowisk przypomina ostre warunki, jakie musiały panować na pierwotnej Ziemi, na której zaczęły ewoluować pierwsze istoty żywe. Obecnie wiemy jednak, że archeony żyją wszędzie, nawet na naszej skórze. Przyjmuje się, że archeony stanowią dominującą formę życia w glebie i w wodzie morskiej, i że odgrywają główną rolę w krążeniu azotu i węgla - dwóch najważniejszych pierwiastków w biologii wszystkich komórek.
Sekwencjonowanie DNA ujawniło jeszcze jedną niespodziankę dotyczącą biologii archeonów: choć archeony wyglądem zewnętrznym przypominają bakterie, ich genomy są znacznie bliżej spokrewnione z genomami eukariontów Archeony zawierające geny najbardziej podobne do eukariotycznych zalicza się do nadtypu (linii rozwojowej) zwanego Asgard (patrz ryc. 1.10). Początkowo zidentyfikowane je poprzez sekwencjonowanie fragmentów DNA zebranych w Zamku Lokiego (ang. Loki's Castle) - kominie hydrotermalnym nad dnem morza niedaleko wybrzeży Grenlandii. Podczas gdy odczytane sekwencje natychmiast ujawniły bliskie pokrewieństwo linii Asgard z eukariontami, to najbardziej zadziwiające odkrycie pojawiło się dopiero wtedy, gdy naukowcom udało się wyhodować komórki archeonów Asgard w laboratorium - to heroiczne osiągnięcie zajęło 12 lat troskliwego zajmowania się życiem rodzącym się w zrobionym na zamówienie bioreaktorze wypełnionym błotem z dna morza i przemywanym gazowym metanem. Badając te wyhodowane archeony w mikroskopie elektronowym, naukowcy ujrzeli komórkę, która wyglądem nie przypominała żadnego znanego prokarionta: gmatwaninę długich, pozawijanych wypustek, które wyłaniały się z małego ciała komórki. Co jeszcze bardziej zadziwiające, zaobserwowano, że archeon Asgard niósł parę ektosymbiontów: jedną bakterię i jednego niespokrewnionego archeona, które zdawały się być uwikłane we wrzecionowatym uścisku tego dziwnego stworzenia (ryc. 1.15). Odkrycie tak niezwykłego archeona - wraz ze stowarzyszonymi prokariontami - sugeruje mechanizm, dzięki któremu prakomórki mogły chwytać, a następnie wchodzić w bliższą relację z bakteriami tlenowymi, a stąd już tylko krok do zainicjowania ewolucji linii eukariotycznej.
Ryc. 1.15. Archeon linii Asgard przechwytuje parę prokariotycznych komórek partnerskich. Ta elektronowa mikrografia skaningowa ukazuje komórkę archeonu, który był utrzymywany w hodowli. Złożona sieć błonowych wypustek wyłania się z ciała komórki. Te wypustki owijają się wokół dwóch komórek innych gatunków prokariotycznych - bakterii i archeonu, które zostały wyizolowane jako ektosymbionty komórki archeonu Asgard. Ten niezwykły osobnik był hodowany przez ponad 2000 dni w bioreaktorze, który symulował warunki występujące na dnie morskim; w trakcie hodowli komórki archeonu Agard dzieliły się średnio raz na 20 dni - porównajmy to z takimi bakteriami jak E. coli, które dzielą się co 20 minut (z: H. Imachi i in., Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface, Nature, 577, 2020, s. 519-525)
Komórka eukariotyczna
Komórki eukariotyczne mają zwykle objętość 1000 do 10 000 razy większą niż większość bakterii i archeonów. Niektóre prowadzą niezależne życie jako organizmy jednokomórkowe, takie jak ameby i drożdże (ryc. 1.16), inne żyją w zbiorowiskach wielokomórkowych. Jak już widzieliśmy, wszystkie bardziej złożone organizmy wielokomórkowe - włączając w to rośliny, zwierzęta i grzyby, takie jak pieczarki - są zbudowane z komórek eukariotycznych.
Ryc. 1.16. Drożdże są prostymi, wolno żyjącymi eukariontami. Komórki ukazane na tej mikrografii należą do gatunku drożdży Saccharomyces cerevisiae, dzięki którym rośnie ciasto, a słód jęczmienny przekształca się w piwo. Jak widać na zdjęciu, komórki namnażają się przez wzrost pączków, a następnie podział asymetryczny na dużą komórkę matczyną i małą komórkę potomną; z tego powodu drożdże te często nazywa się drożdżami pączkującymi
Z definicji wszystkie komórki eukariotyczne mają jądro komórkowe. Ale posiadanie jądra komórkowego idzie w parze z posiadaniem wielu innych organelli, z których większość jest otoczona błoną i występuje u wszystkich eukariontów, lecz jest nieobecna u prokariontów. W tym podrozdziale przyjrzymy się, jakie funkcje spełniają główne organelle wykrywane w komórkach eukariotycznych, a także rozważymy, w jaki sposób doszło do tego, że odgrywają one przypisane im role w życiu komórki eukariotycznej. Rozwikłanie ról poszczególnych organelli w życiu komórki eukariotycznej jest jednym z najważniejszych osiągnięć badań biologicznych. Dzięki niemu zdobyliśmy podstawy zrozumienia biologii naszych własnych komórek oraz tego, w jaki sposób te układy komórkowe mogą być upośledzane przez starzenie się lub chorobę.
Jądro komórkowe jest magazynem informacji
Jądro komórkowe jest zwykle najbardziej widoczną organellą komórki eukariotycznej (ryc. 1.17). Otoczone dwiema koncentrycznymi błonami, które tworzą otoczkę jądrową, zawiera cząsteczki DNA - niezwykle długie polimery, w których zakodowana jest informacja genetyczna organizmu. W mikroskopie świetlnym te gigantyczne cząsteczki DNA są widoczne jako poszczególne chromosomy wtedy, gdy staną się bardziej zwarte przed podziałem komórki na dwie komórki potomne (ryc. 1.18). Bakterie i archeony również przechowują swą informację genetyczną w formie DNA; komórki te jednakże nie utrzymują swojego DNA w obrębie otoczki jądrowej, oddzielonego od reszty zawartości komórki.
Ryc. 1.17. Jądro komórkowe zawiera większość DNA komórki eukariotycznej. (A) Ten schemat typowej komórki zwierzęcej ukazuje jej rozległy system organelli otoczonych błoną. Jądro komórkowe ma barwę brązową, otoczka jądrowa - zieloną, a cytoplazma (wnętrze komórki poza jądrem komórkowym) - białą. (B) Mikrografia elektronowa jądra komórkowego komórki ssaka. Poszczególne chromosomy nie są widoczne, gdyż na tym etapie cyklu podziału komórkowego cząsteczki DNA są rozproszone w całym jądrze komórkowym jako delikatne nici (B za zgodą E.L. Bearer i Daniela S. Frienda)
Ryc. 1.18. Chromosomy stają się widoczne wtedy, gdy komórka ma się podzielić. Gdy komórka eukariotyczna przygotowuje się do podziału komórkowego, jej cząsteczki DNA stają się coraz bardziej zwarte (skondensowane), tworząc podobne do robaków chromosomy, które w tym stadium można ujrzeć w mikroskopie świetlnym (patrz także ryc. 1.5). Zebrane zdjęcia ukazują trzy kolejne etapy procesu kondensacji chromosomów w hodowanej komórce płuca traszki. Zauważ, że na ostatniej mikrografii otoczka jądrowa uległa rozpadowi, dzięki czemu chromosomy mogą przemieścić się na właściwe miejsce przed podziałem komórkowym (dzięki uprzejmości Conly L. Rieder, Albany, New York)
Mitochondria uwalniają użyteczną energię z cząsteczek pożywienia
Mitochondria (l. poj. mitochondrium) są obecne właściwie we wszystkich komórkach eukariotycznych, a w cytoplazmie należą do organelli najbardziej rzucających się w oczy (patrz ryc. 1.8B). Oglądając pojedyncze mitochondria w mikroskopie elektronowym, można odkryć, że są otoczone dwiema odrębnymi błonami, z błoną wewnętrzną uformowaną w fałdy, które wnikają do wnętrza organelli (ryc. 1.19).
Ryc. 1.19. Mitochondria mają charakterystyczną budowę wewnętrzną. (A) Mikrografia elektronowa przekroju poprzecznego mitochondrium ujawnia rozległe wpuklenia błony wewnętrznej. (B) Ten przestrzenny obraz ułożenia błon mitochondrialnych pokazuje gładką błonę zewnętrzną (kolor szary) i mocno pofałdowaną błonę wewnętrzną (kolor czerwony). Na błonie wewnętrznej rezyduje większość białek odpowiedzialnych za przekształcanie energii w komórkach eukariotycznych; jest silnie pofałdowana, by dostarczyć w ten sposób miejsca dla tej aktywności. (C) Na tym schemacie najbardziej wewnętrzny przedział mitochondrium jest wybarwiony na pomarańczowo (A dzięki uprzejmości Daniela S. Frienda, za zgodą E.L. Bearer)
Badanie mikroskopowe udziela jednak znikomej wskazówki na temat tego, co właściwie robią mitochondria dla komórki. Ich funkcję odkryto, rozbijając komórki i wirując mieszaninę fragmentów komórek w wirówce; takie postępowanie rozdziela organelle i inne struktury subkomórkowe ze względu na ich rozmiar i gęstość. Oczyszczone mitochondria przebadano, by zobaczyć, jakie procesy chemiczne mogą one przeprowadzać. To podejście ujawniło, że mitochondria są generatorami energii chemicznej dla komórki. Zaprzęgają one energię uwolnioną podczas utleniania cząsteczek pożywienia, takich jak cukry, do wytwarzania trifosforanu adenozyny lub ATP - podstawowego paliwa chemicznego, które napędza większość aktywności komórki. Ponieważ w trakcie tej działalności mitochondrium zużywa tlen i uwalnia CO2, cały proces nazywa się oddychaniem komórkowym - jest to w zasadzie oddychanie na poziomie komórki. Bez mitochondriów eukarionty takie jak zwierzęta, grzyby i rośliny nie byłyby zdolne do wykorzystania tlenu do wydobycia energii, której potrzebują, z cząsteczek pożywienia, jakim się żywią. Proces oddychania komórkowego rozważymy w szczegółach w rozdziale 14.
Mitochondria zawierają swój własny DNA i namnażają się przez podział. Ich silne podobieństwo, zarówno co do kształtu, jak i sekwencji DNA, do współczesnych bakterii są wielce przekonującymi dowodami to to, że mitochondria wyewoluowały z bakterii tlenowych, które zostały wchłonięte przez beztlenowych przodków dzisiejszych komórek eukariotycznych (ryc. 1.19). Pojawiła się wtedy relacja symbiotyczna, która zapeniła metaboliczne wsparcie obu komórkom partnerskim umożliwiając im przetrwanie, a konsekwencji namnażanie. Opisane wcześniej obserwacje archeona Asgard żyjącego w bliskim związku z partnerskimi komórkami prokariotycznymi silnie wskazują na to, że pierwotną komórką "chwytającą" partnera był archeon (ryc. 1.20).
Ryc. 1.20. Sądzi się, że mitochondria wyewoluowały z wchłoniętych bakterii. Jest właściwie pewne, że mitochondria wyewoluowały z bakterii tlenowych, które zostały pochwycone, a następnie wchłonięte przez wczesną komórkę archeonu. Zgodnie z tym modelem, zewnętrzne wypustki pradawnego archeonu, podobnego do tych z linii Asgard, rozpostarły się i wchłonęły bakterię tlenową rozpoczynając i wspierając związek symbiotyczny między dwiema komórkami. Z czasem rozwinięte wypustki połączyły się ze sobą, zamykając bakterię jako endosymbionta w ciele archeonu, gdzie początkowo był on otoczony przez dodatkową błonę wewnętrzną pochodzącą z błony komórkowej archeonu. Po pewnym czasie symbiont wydostał się z otaczającej go błony archeonu i wniknął do cytozolu komórki, gdzie ewoluował do mitochondrium zawierającego DNA i otaczające błony wywodzące się z wchłoniętej bakterii. Jak pokazano, obecnie sądzi się, że błona komórkowa archeonu, która zwinęła się do wewnątrz w trakcie procesów tworzenia wypustek, ich rozpostarcia, a wreszcie fuzji, jest błoną, która dała początek zarówno otoczce jądrowej, jak i błonom wewnętrznym otaczającym takie organelle, jak retikulum endoplazmatyczne (zaadaptowano z: H. Imachi i in., Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface, Nature, 577, 2020, s. 519-525, 2020 oraz z: D.A. Baum, B. Baum, An inside-out origin for the eukaryotic cel, BMC Biology,12, 2014, s. 76-92)
Chloroplasty przechwytują energię światła słonecznego
Chloroplasty są dużymi, zielonymi organellami, które wykrywa się w komórkach roślin i glonów, ale nie w komórkach zwierząt i grzybów. Organelle te mają strukturę jeszcze bardziej złożoną niż mitochondria: poza dwiema otaczającymi błonami mają one również stosy błon zawierających zielony barwnik - chlorofil (ryc. 1.21).
Ryc. 1.21. Chloroplasty w komórkach roślinnych przechwytują energię światła słonecznego. (A) Pojedyncza komórka wyizolowana z liścia rośliny kwiatowej, widziana w mikroskopie świetlnym, zawiera wiele zielonych chloroplastów. (B) Schemat pojedynczego chloroplastu pokazuje błonę zewnętrzną i wewnętrzną, a także mocno pofałdowany system błon wewnętrznych zawierających zielone cząsteczki chlorofilu, które absorbują energię światła (A dzięki uprzejmości Preeti Dahiya)
Chloroplasty prowadzą fotosyntezę, chwytając energię światła słonecznego w sidła cząsteczek chlorofilu i wykorzystując tę energię do napędzania produkcji bogatych w energię cząsteczek cukrów. W trakcie tego procesu uwalniają one tlen jako molekularny produkt uboczny. W miarę swoich potrzeb komórki roślinne mogą następnie wydobyć tę przechowywaną energię w taki sam sposób, jak czynią to komórki zwierzęce, przez utlenianie, głównie w mitochondriach, cukrów i produktów ich rozpadu. Chloroplasty zatem umożliwiają roślinom pozyskiwanie energii bezpośrednio ze światła słonecznego. Pozwalają one także roślinom na wytwarzanie tlenu i cząsteczek pożywienia, które są następnie zużywane przez mitochondria do wytwarzania energii chemicznej w postaci ATP. Jak te organelle współpracują ze sobą, zostanie omówione w rozdz. 14.
Podobnie jak mitochondria chloroplasty mają swój własny DNA, namnażają się przez podział na dwie komórki potomne i uważane są za ewolucyjnych potomków bakterii - w tym przypadku bakterii fotosyntezujących, które zostały wchłonięte przez podobne do eukariontów komórki, które już miały mitochondria (ryc. 1.22).
Ryc. 1.22. Eukarionty zawierają kombinację genomów, które wywodzą się z archeonów i bakterii. Linie rozwojowe bakterii i archeonów rozdzieliły się bardzo wcześnie w ewolucji życia na Ziemi. Sądzi się, że jakiś czas później komórki archeonów pozyskały mitochondria poprzez ustalenie związku symbiotycznego z bakterią tlenową; jeszcze później pewna grupa tych jednokomórkowych eukariontów uzyskała chloroplasty. Mitochondria są zasadniczo takie same u roślin, zwierząt i grzybów, dlatego przyjmuje się, że zostały pozyskane, zanim te linie rozwojowe rozeszły się około 1,5 miliarda lat temu
Błony wewnętrzne tworzą przedziały wewnątrzkomórkowe o odmiennych funkcjach
Jądra komórkowe, mitochondria czy chloroplasty nie są jedynymi organellami otoczonymi błoną we wnętrzu komórek eukariotycznych. Cytoplazma zawiera obfitość innych organelli, otoczonych pojedynczymi błonami (patrz ryc. 1.8A). Większość tych struktur jest zaangażowana w zdolność komórki do importowania surowców i eksportowania zarówno użytecznych substancji, jak i produktów odpadowych, wytwarzanych przez komórkę (temat ten omówimy szczegółowo w rozdz. 12).
Retikulum endoplazmatyczne (ER) jest nieregularnym labiryntem wzajemnie połączonych przestrzeni otoczonych błoną (ryc. 1.23). To miejsce, w którym wytwarzana jest większość składników błon komórki, jak również materiałów przeznaczonych na eksport z komórki. Organella ta jest niezwykle powiększona w komórkach, które są wyspecjalizowane w wydzielaniu dużych ilości białek. Stosy spłaszczonych, otoczonych błoną woreczków stanowią aparat Golgiego (ryc. 1.24), w którym cząsteczki wytworzone w ER, a przeznaczone albo do wydzielenia z komórki, albo do transportu do innego przedziału komórki, są modyfikowane i upakowywane. Lizosomy to małe organelle o nieregularnym kształcie, w których zachodzi trawienie wewnątrzkomórkowe, uwalniające do cytozolu czynniki odżywcze z połkniętych cząstek pożywienia i rozbijające niechciane cząsteczki w celu ich ponownego wykorzystania w komórce lub wydzielenia na zewnątrz. W rzeczy samej wiele małych i dużych cząsteczek w komórce jest stale rozkładanych i tworzonych ponownie. Peroksysomy są małymi pęcherzykami otoczonymi błoną, zapewniającymi wyodrębnione środowisko do przeprowadzania różnych reakcji, w których nadtlenek wodoru jest używany do inaktywacji cząsteczek toksycznych. Błony tworzą również wiele typów małych pęcherzyków transportowych, które przenoszą materiały między jedną, otoczoną błoną, organellą a drugą. Wszystkie te otoczone błoną organelle pokazano na rycinie 1.25A.
Ryc. 1.23. Retikulum endoplazmatyczne wytwarza wiele składników komórki eukariotycznej. (A) Schemat komórki zwierzęcej ukazuje retikulum endoplazmatyczne (ER, kolor zielony). (B) Mikrografia elektronowa skrawka komórki trzustki ssaka ukazuje małą część ER, które występuje w ogromnych ilościach w tym typie komórki wyspecjalizowanej w wydzielaniu białek. Zauważ, że ER jest ciągłe z błonami otoczki jądrowej. Widoczne czarne cząstki wypełniające okolice ER (i otoczki jądrowej) to rybosomy, struktury, które tłumaczą cząsteczki RNA na białka. Ze względu na wygląd pokryte rybosomami ER nazywane jest często "szorstkim ER", by odróżnić je od "gładkiego ER", do którego nie są przyłączone rybosomy (B dzięki uprzejmości Lelio Orci)
Ryc. 1.24. Aparat Golgiego składa się ze stosu spłaszczonych, otoczonych błoną dysków. (A) Schemat komórki zwierzęcej przedstawia aparat Golgiego (kolor czerwony). (B) Bardziej realistyczny szkic aparatu Golgiego. Niektóre z widocznych pęcherzyków oddzieliły się od stosu Golgiego (diktiosomu), inne niedługo się z nim zleją. Ukazano tylko jeden diktiosom, ale w komórce może być ich kilka. (C) Mikrografia elektronowa ukazuje aparat Golgiego typowej komórki zwierzęcej (C dzięki uprzejmości Brij L. Gupta)
Między retikulum endoplazmatycznym, aparatem Golgiego, lizosomami, błoną komórkową i zewnętrzem komórki zachodzi ciągła wymiana materiałów. W wymianie pośredniczą pęcherzyki transportowe, które oddzielają się od błony jednej organelli i łączą się z inną błoną, podobnie jak drobniutkie bańki mydlane, które odpączkowują i łączą się z innymi bańkami. Na powierzchni komórki, na przykład, porcje błony komórkowej wnikają do wnętrza i odrywają się, by utworzyć pęcherzyki, które niosą materiał przechwycony z otoczenia zewnętrznego, z zewnątrz do komórki w procesie zwanym endocytozą (ryc. 1.26). Komórki zwierzęce w wyniku endocytozy mogą wchłonąć bardzo duże cząstki, a nawet całe komórki. W procesie odwrotnym, zwanym egzocytozą, pęcherzyki z wnętrza komórki zlewają się z błoną komórkową i uwalniają swoją zawartość do otoczenia zewnętrznego (patrz ryc. 1.26); większość hormonów i cząsteczek sygnałowych, które pozwalają na komunikację między komórkami, jest wydzielana z komórki poprzez egzocytozę. W jaki sposób organelle otoczone błoną przemieszczają białka i inne cząsteczki z miejsca na miejsce, zostanie szczegółowo opisane w rozdziale 15.
Cytozol jest zatężonym uwodnionym żelem dużych i małych cząsteczek
Gdybyśmy mogli oddzielić błonę komórkową od komórki eukariotycznej i usunąć wszystkie jej organelle otoczone błoną - w tym jądro komórkowe, retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, mitochondria, chloroplasty itd. - pozostałością byłby cytozol (ryc. 1.25B). Innymi słowy, cytozol to część cytoplazmy, która nie zawiera się w obrębie błon wewnątrzkomórkowych. W większości komórek cytozol jest największym pojedynczym przedziałem. Zawiera mnóstwo dużych i małych cząsteczek stłoczonych tak mocno, że zachowuje się bardziej jak uwodniony żel niż jak płynny roztwór (ryc. 1.27). Cytozol jest miejscem wielu reakcji chemicznych, kluczowych dla egzystencji komórki. W cytozolu na przykład zachodzą wczesne etapy rozkładu cząsteczek pożywienia i to tu na rybosomach powstaje większość białek.
Ryc. 1.25. Otoczone błoną organelle są rozmieszczone w cytoplazmie komórki eukariotycznej. (A) Różne typy organelli otoczonych błoną zostały ukazane w różnych kolorach; każdy z tych typów jest wyspecjalizowany w pełnieniu odmiennych funkcji. (B) Cytoplazma, która wypełnia przestrzeń poza tymi organellami, jest nazywana cytozolem (kolor niebieski)
Ryc. 1.26. Komórki eukariotyczne angażują się w ciągłą endocytozę i egzocytozę w poprzek ich błon komórkowych. Komórki importują materiały pozakomórkowe poprzez endocytozę, a wydzielają materiały wewnątrzkomórkowe poprzez egzocytozę. Materiał pobrany podczas endocytozy jest najpierw dostarczany do otoczonych błoną organelli zwanych endosomami (omówionych w rozdz. 15)
Ryc. 1.27. Cytozol jest niezwykle zatłoczony. Przedstawiony z atomową rozdzielczością model cytozolu E. coli został opracowany na podstawie danych o wielkościach i stężeniach 50 dużych makrocząsteczek najobficiej występujących u bakterii. Cząsteczki RNA, białka i rybosomy ukazano w różnych kolorach (z: S.R. McGuffee, A.H. Elcock, Diffusion, Crowding & Protein Stability in a Dynamic Molecular Model of the Bacterial Cytoplasm, PLOS Computational Biology, 6, 2010, e1000694)
