Żywe istoty są wysoce zorganizowane i uporządkowane, zgodnie z hierarchią skali od małej do dużej (Rysunek 1). Atom jest najmniejszą i najbardziej fundamentalną jednostką materii. Składa się z jądra otoczonego przez elektrony. Atomy łączą się w cząsteczki, które są strukturami chemicznymi składającymi się z co najmniej dwóch atomów połączonych wiązaniem chemicznym. W roślinach, zwierzętach i wielu innych typach organizmów cząsteczki łączą się ze sobą w specyficzny sposób, tworząc struktury zwane organellami. Organelle to małe struktury, które istnieją wewnątrz komórek i pełnią wyspecjalizowane funkcje. Jak omówiono bardziej szczegółowo poniżej, wszystkie żywe istoty są zbudowane z jednej lub więcej komórek.
W większości organizmów wielokomórkowych komórki łączą się, tworząc tkanki, które są grupami podobnych komórek pełniących tę samą funkcję. Organy to zbiory tkanek zgrupowanych razem w oparciu o wspólną funkcję. Organy są obecne nie tylko u zwierząt, ale także u roślin. Układ narządów jest wyższym poziomem organizacji, który składa się z funkcjonalnie powiązanych narządów. Na przykład zwierzęta kręgowe mają wiele układów narządów, takich jak układ krążenia, który transportuje krew w całym organizmie oraz do i z płuc; obejmuje on narządy takie jak serce i naczynia krwionośne. Organizmy są indywidualnymi żywymi jednostkami. Na przykład, każde drzewo w lesie jest organizmem.
Wszystkie osobniki danego gatunku żyjące na określonym obszarze nazywane są zbiorczo populacją. Zbiorowość to zbiór różnych populacji zamieszkujących wspólny obszar. Na przykład, wszystkie drzewa, kwiaty, owady i inne populacje w lesie tworzą jego społeczność. Las sam w sobie jest ekosystemem. Ekosystem składa się ze wszystkich żywych istot występujących na danym obszarze wraz z abiotycznymi, czyli nieożywionymi, elementami tego środowiska, takimi jak azot w glebie czy woda deszczowa. Na najwyższym poziomie organizacji, biosfera jest zbiorem wszystkich ekosystemów i reprezentuje strefy życia na Ziemi. Obejmuje ona ląd, wodę i część atmosfery.
Teoria komórki
Zamknij oczy i wyobraź sobie ceglaną ścianę. Co jest podstawowym budulcem tego muru? Oczywiście jest to pojedyncza cegła. Podobnie jak ściana z cegieł, Twoje ciało składa się z podstawowych elementów konstrukcyjnych, a elementami konstrukcyjnymi Twojego ciała są komórki. Twoje ciało ma wiele rodzajów komórek, z których każda jest wyspecjalizowana do określonego celu. Tak jak dom zbudowany jest z różnych materiałów budowlanych, tak samo ciało ludzkie zbudowane jest z wielu rodzajów komórek. Na przykład, komórki kostne pomagają podtrzymywać i chronić ciało. Komórki układu odpornościowego zwalczają inwazję bakterii. A czerwone krwinki przenoszą tlen w całym organizmie. Każdy z tych typów komórek odgrywa istotną rolę podczas wzrostu, rozwoju i codziennej konserwacji organizmu. Jednak mimo ogromnej różnorodności wszystkie komórki mają pewne podstawowe cechy.
Mikroskopy, których używamy dzisiaj, są o wiele bardziej złożone niż te, których w latach 1600-tych używał Antony van Leeuwenhoek, holenderski sklepikarz, który miał wielkie umiejętności w tworzeniu soczewek. Pomimo ograniczeń swoich starożytnych soczewek, van Leeuwenhoek obserwował ruchy jednokomórkowych organizmów i spermy, które nazwał zbiorczo „animalcules”. W publikacji z 1665 roku, zatytułowanej Micrographia, naukowiec eksperymentalny Robert Hooke ukuł termin „komórka” (od łacińskiego cella, oznaczającego „małe pomieszczenie”) dla struktur przypominających pudełko, które zaobserwował, oglądając przez soczewkę tkankę korkową. W latach 70. XVI wieku van Leeuwenhoek odkrył bakterie i pierwotniaki. Późniejsze postępy w budowie soczewek i mikroskopów umożliwiły innym naukowcom obserwowanie różnych składników wewnątrz komórek.
Do końca lat 30. XIX wieku botanik Matthias Schleiden i zoolog Theodor Schwann badali tkanki i zaproponowali zunifikowaną teorię komórki, która głosi, że wszystkie żywe istoty składają się z jednej lub więcej komórek, że komórka jest podstawową jednostką życia i że wszystkie nowe komórki powstają z istniejących. Zasady te obowiązują do dziś. Istnieje wiele rodzajów komórek, a wszystkie są pogrupowane w jednej z dwóch szerokich kategorii: prokariotyczne i eukariotyczne. Komórki zwierząt, roślin, grzybów i protistów są klasyfikowane jako eukariotyczne, podczas gdy komórki bakterii i archaidów są klasyfikowane jako prokariotyczne.
Wszystkie komórki mają cztery wspólne składniki: 1) błona plazmatyczna, zewnętrzna powłoka, która oddziela wnętrze komórki od otaczającego ją środowiska; 2) cytoplazma, składająca się z galaretowatego regionu wewnątrz komórki, w którym znajdują się inne składniki komórkowe; 3) DNA, materiał genetyczny komórki; oraz 4) rybosomy, cząsteczki, które syntetyzują białka. Jednakże prokariota różni się od komórki eukariotycznej na kilka sposobów.
Składniki komórek prokariotycznych
Komórka prokariotyczna jest prostym, jednokomórkowym organizmem, który nie posiada jądra ani żadnych innych organelli związanych z błoną. Wkrótce przekonamy się, że u eukariotów jest zupełnie inaczej. DNA prokariotyczne znajduje się w centralnej części komórki: w zaciemnionym regionie zwanym nukleoidem (Rysunek 1).
W przeciwieństwie do Archaea i eukariotów, bakterie mają ścianę komórkową zbudowaną z peptydoglikanu (cząsteczki składające się z cukrów i aminokwasów), a wiele z nich ma kapsułkę polisacharydową. Ściana komórkowa działa jako dodatkowa warstwa ochronna, pomaga komórce utrzymać jej kształt i zapobiega odwodnieniu. Kapsułka umożliwia komórce przyczepianie się do powierzchni w jej środowisku. Niektóre prokariota posiadają flagelle, pili lub fimbrie. Flagi służą do poruszania się. Pili służą do wymiany materiału genetycznego podczas rozmnażania zwanego koniugacją. Fimbrie są białkowymi wyrostkami używanymi przez bakterie do przyczepiania się do innych komórek.
Komórki eukariotyczne
Komórka eukariotyczna to komórka, która ma jądro związane z błoną i inne przedziały związane z błoną zwane organellami. Istnieje wiele różnych typów organelli, z których każdy pełni wysoce wyspecjalizowaną funkcję (patrz Rysunek 3). Słowo eukariotyczne oznacza „prawdziwe jądro” lub „prawdziwe jąderko”, co nawiązuje do obecności w tych komórkach jądra otoczonego błoną. Słowo „organelle” oznacza „mały narząd”, a jak już wspomniano, organelle pełnią wyspecjalizowane funkcje komórkowe, tak jak wyspecjalizowane funkcje pełnią narządy naszego ciała.
Rozmiar komórek
Mając średnicę 0,1-5,0 µm, większość komórek prokariotycznych jest znacznie mniejsza niż komórki eukariotyczne, których średnica waha się w granicach 10-100 µm (Ryc. 3). Małe rozmiary prokariotów pozwalają jonom i cząsteczkom organicznym, które dostają się do ich wnętrza, na szybkie rozprzestrzenianie się do innych części komórki. Podobnie, wszelkie odpady produkowane wewnątrz komórki prokariotycznej mogą szybko wydostać się na zewnątrz. Jednakże większe komórki eukariotyczne wykształciły inne strukturalne adaptacje, aby usprawnić transport komórkowy. W istocie, duże rozmiary tych komórek nie byłyby możliwe bez tych przystosowań. Ogólnie rzecz biorąc, rozmiar komórki jest ograniczony, ponieważ objętość zwiększa się znacznie szybciej niż powierzchnia komórki. W miarę jak komórka staje się coraz większa, coraz trudniej jest jej zdobywać materiały wystarczające do podtrzymania procesów zachodzących wewnątrz komórki, ponieważ względna wielkość powierzchni, przez którą materiały muszą być transportowane, maleje.
Komórki zwierzęce kontra komórki roślinne
Pomimo fundamentalnych podobieństw, istnieją pewne uderzające różnice między komórkami zwierzęcymi i roślinnymi (ryc. 3). Komórki zwierzęce mają centriole, centrosomy i lizosomy, podczas gdy komórki roślinne nie. Komórki roślinne mają sztywną ścianę komórkową, która jest zewnętrzna w stosunku do błony plazmatycznej, chloroplasty, plazmodesmy i plastydy używane do przechowywania oraz dużą centralną wakuolę, podczas gdy komórki zwierzęce nie mają takich cech.
Chloroplasty
Z ekologicznego punktu widzenia chloroplasty są szczególnie ważnym typem organelli, ponieważ przeprowadzają fotosyntezę. Fotosynteza stanowi podstawę łańcuchów pokarmowych w większości ekosystemów. Chloroplasty występują tylko w komórkach eukariotycznych, takich jak rośliny i algi. Podczas fotosyntezy, dwutlenek węgla, woda i energia świetlna są wykorzystywane do produkcji glukozy i tlenu cząsteczkowego. Jedną z głównych różnic między algami/roślinami a zwierzętami jest to, że rośliny/algi są w stanie wytwarzać własne pożywienie, takie jak glukoza, podczas gdy zwierzęta muszą zdobywać pożywienie poprzez spożywanie innych organizmów.
Chloroplasty mają błony zewnętrzną i wewnętrzną, ale w przestrzeni zamkniętej przez błonę wewnętrzną chloroplastu znajduje się zestaw połączonych ze sobą i ułożonych w stosy, wypełnionych płynem woreczków błonowych zwanych tylakoidami (rysunek 4 poniżej). Każdy stos tylakoidów nazywany jest granum (liczba mnoga = grana). Płyn zamknięty przez wewnętrzną błonę i otaczający granę nazywany jest zrębem. Każda struktura w chloroplaście pełni ważną funkcję, którą umożliwia jej określony kształt. Powszechnym motywem w biologii jest to, że forma i funkcja są ze sobą powiązane. Na przykład, bogate w błonę stosy tylakoidów zapewniają wystarczającą powierzchnię do osadzenia białek i pigmentów, które są niezbędne do fotosyntezy.
Atrybucja
„Essentials of Environmental Science” by Kamala Doršner is licensed under CC BY 4.0. „Levels of Organization of Living Things” autorstwa Open Stax is licensed under CC BY 4.0. Zmodyfikowane z oryginałów przez Matthew R. Fisher.
.