Cytologia 1 - Budowa komórki, ogólne wiadomości - biologia liceum poziom rozszerzony matura

[Muzyka] Witajcie, moi drodzy, w nowej wersji działu biologia komórki, który nagrałam ze względu na to, iż poprzednia wersja była bardzo słabej jakości. Nagrywałam ją w czasie, kiedy jeszcze za bardzo nie umiałam w YouTube, także postanowiłam ją odświeżyć, żeby wam się przyjemniej słuchało i oglądało. Treść pod względem merytorycznym jest praktycznie ta sama; lepsza jest jakość dźwięku, kilka nowych obrazków, jakieś może drobne poprawki, ale nie ma tutaj większych zmian.

W tym pierwszym odcinku zajmiemy się takim wprowadzeniem, wstępem, podstawowymi informacjami o komórkach. Niemniej jednak, jest to bardzo ważny odcinek i nie należy go pomijać, zanim przejdziemy do bardziej szczegółowych spraw. Zaczniemy może tak trochę formalnie od przypomnienia wam, bądź może przedstawienia w ogóle po raz pierwszy, tak zwanej teorii komórkowej Schleidena, Iwana i Remaka. Tak, to jest Remak, nie remake, ponieważ chodzi o Roberta Remaka, który był zresztą Polakiem. I ta teoria dzisiaj jest dla nas czymś oczywistym, ale przez bardzo długie wieki, wierzcie mi, że nie była, aż do czasu wynalezienia mikroskopu i możliwości oglądania pierwszych komórek. A ta teoria mówi mianowicie po prostu to, że wszystkie organizmy pochodzą od komórek, wszystkie organizmy składają się z komórek. Co najpierw odkrył właśnie Schleiden? On odkrył, że rośliny składają się z komórek. Schwann zauważył, że zwierzęta ewidentnie też się składają z komórek, natomiast Remak podsumował, że w takim razie każda komórka musi wywodzić się z innej komórki, że komórki nie powstają z niczego, ale że każda komórka bierze się z komórki już istniejącej. I mamy nawet na to łacińską sentencję: Omnis cellula e cellula. Czyli każda komórka z komórki.

Także, tyle słowem wstępu. I tak, komórki dzielimy ogólnie na eukariotyczne i prokariotyczne. I eukariotyczne to są te po prawej, które posiadają jądro komórkowe, natomiast prokariotyczne nie posiadają jądra komórkowego. „Kario” oznacza po prostu jądro. „Pro” to jest tak jakby „przed”, czyli prokarioty to przedjądrowe, a eukariotyczne – „eu” to akurat w biologii nie oznacza Unii Europejskiej, tylko „właściwe”, czyli eukarionty to są te właściwe jądrowe, te które posiadają jądro komórkowe. W praktyce ten podział oznacza podział na bakterie i archeony, czyli to są ogólnie prokarionty, i wszystkie pozostałe organizmy jednokomórkowe i wielokomórkowe, które posiadają jądro komórkowe. Istnieją pewne wyjątki, takie jak na przykład erytrocyty ssaków, które nie mają jądra komórkowego, ale to jest tak, że one tracą je wtórnie, to znaczy na początku je posiadają, potem, w miarę dojrzewania, tracą to jądro komórkowe. Jest to przystosowanie do maksymalnie efektywnego przenoszenia tlenu, bo po prostu dzięki utracie organelli one są maksymalnie wypełnione hemoglobiną, która przenosi tlen. Także oczywiście to nie oznacza, że są prokariotyczne.

Czym się komórki eukariotyczne i prokariotyczne różnią poza tym, że jedne mają jądro, a drugie nie ma jądra komórkowego? A więc prokarionty są to organizmy, które mają w swoich komórkach minimum zawartości. Co to znaczy minimum? Wiecie na pewno, że każda komórka musi wytwarzać białka. No, z filmiku o białkach mam nadzieję już wiecie, że białka są podstawą wszystkich procesów życiowych, katalizują reakcje biochemiczne i tak dalej, i tak dalej. Organizmy nie mogą się obyć bez białek. Także podstawą jest to, żeby wytwarzać białka, a do tego potrzebne jest DNA, bo w DNA jest zapisana informacja o budowie białek, i potrzebne są rybosomy. No i to właśnie posiadają prokarionty: posiadają genom, czy, czyli tutaj to tą główną cząsteczkę DNA, posiadają plazmidy, czyli takie dodatkowe, mniejsze cząsteczki DNA opcjonalnie, i posiadają rybosomy, czyli te struktury, które są odpowiedzialne za biosyntezę białka. I to jest praktycznie wszystko, co one posiadają, jeśli chodzi o jakieś większe organelle i struktury komórkowe. Oczywiście posiadają całą masę jeszcze różnych enzymów metabolicznych, ale jeśli chodzi o taką budowę komórki, to to jest to, to jest tyle. Posiadają jeszcze ścianę komórkową i często dodatkowo taką otoczkę na zewnątrz ściany.

Ale pomimo tej minimalnej zawartości, o dziwo, to właśnie prokarionty opanowały praktycznie wszystkie najbardziej ekstremalne siedliska na Ziemi, te, w których żadne inne organizmy nie są w stanie przeżyć: na przykład bardzo gorące źródła, bardzo zakwaszone środowiska i tak dalej. Dlatego ta bakteria tutaj jest takim badasem – one faktycznie potrafią sobie poradzić w każdych warunkach. Oczywiście różne gatunki sobie radzą w różnych warunkach, to nie jest tak, że każdy prokariont wszędzie. Są bardzo wyspecjalizowane. I jeśli chodzi o te ekstremalne środowiska, to głównie archeony żyją w takich, w takich miejscach. Także tutaj znowu sprawdza się reguła, że mniej znaczy więcej, albo przynajmniej że mniej nie oznacza gorzej. Natomiast eukarionty mają praktycznie wszystko, co można posiadać, jeśli chodzi o organelle: czyli mitochondria, chloroplasty, aparat Golgiego, cytoszkielet, siateczki śródplazmatyczne, wakuole, lizosomy, w przypadku grzybów i roślin ściany komórkowe; u zwierząt akurat nie ma ściany komórkowej. Ogólnie te wszystkie organelle, struktury będziemy sobie omawiać w kolejnych odcinkach. I podstawa programowa wymaga od was, żebyście umieli rozpoznawać te organelle na różnych schematach i rysunkach. No i tutaj tak naprawdę waszym przyjacielem jest Google Grafika. Możecie sobie tam wpisywać różne organelle czy też komórka – najlepiej wpisywać po angielsku. Wtedy będziecie mieć więcej wyników i po prostu oglądać sobie te różne rysunki, zdjęcia, oswajać się z tym, jak one mogą być różnie przedstawione, różnie wyglądać i tak dalej. Okej.

A co jeśli chodzi o rozmiary komórek, jeśli chodzi o prokarionty i eukarionty? Czy jest tutaj jakaś różnica? No jest, zasadnicza różnica. Prokarionty są znacznie mniejsze, to znaczy ich komórki mają zazwyczaj kilka mikrometrów. Przypominam, że mikrometr to jest 1/1000 mm, czyli bardzo mało. Istnieją nieliczne wyjątki, i właściwie tu chyba znany jest tylko jeden taki naprawdę dramatyczny wyjątek, i jest to Thiomargarita namibiensis, czyli siarkowa perła Namibii, co jest bardzo piękną nazwą jak dla bakterii. Bierze się stąd, że po prostu ona jest wypełniona bardzo mocno związkami siarki i azotu, jakby to stanowi główną objętość jej komórki, dlatego jest taka duża. Ona osiąga nawet pół milimetra, czyli praktycznie jest widoczna gołym okiem, ale to jest naprawdę ekstremalny wyjątek wśród prokariontów. Większość jest bardzo, bardzo mała. Natomiast komórki eukariotyczne – tutaj mamy bardzo duże zróżnicowanie – bo tak, ich komórki mają zwykle kilkadziesiąt, kilkaset mikrometrów, ale na przykład komórka jajowa ssaków ma około milimetra średnicy, a aksony neuronów mogą mieć ponad metr długości. Acetabularia, czyli taki bardzo ładny glon, on jest taką jedną ogromną komórką, która może mieć nawet koło centymetra. No i wreszcie chociażby jaja ptaków – to są pojedyncze komórki jajowe. No i to są już ekstremalne rozmiary, bo przykładowo jajo strusia ma kilkanaście centymetrów średnicy, z tym że tutaj jakby większą część tej komórki stanowi materiał zapasowy, podobnie jak w komórkach jajowych ssaków. Także jest bardzo dużo tego materiału zapasowego, i on jakby głównie robi tą objętość tej komórki. No to zresztą wiecie, jeśli kiedykolwiek widzieliście jajko, że tam jest głównie właśnie materiał zapasowy, woda, reszta stanowi bardzo, bardzo niewielki procent. Okej.

Ale dlaczego ogólnie rzecz biorąc komórki są tak małe – te mikrometry, kilkanaście, kilkadziesiąt? Ważne zagadnienie, i tak naprawdę ono jest chyba najważniejsze w tym temacie, w tym odcinku – to jest najważniejsze, co musicie zrozumieć. Więc to, że komórki są małe, wynika z ich geometrii, wynika to z tego, że powierzchnia komórki i objętość nie rosną równomiernie. Czyli nie jest tak, że im większa komórka, im większa jej objętość, to że tak samo będzie się zwiększać jej powierzchnia proporcjonalnie do objętości. Dlaczego tak jest? Wynika to z obliczeń bardzo prostych, takich, że nawet ja ogarniam, więc wy też będziecie w stanie. Otóż chodzi o to, że tak, jeżeli mamy kostkę o boku 1 cm, to jej objętość będzie wynosić 1 cm³. No bo 1 x 1 x 1. Natomiast powierzchnia będzie wynosić 6 cm², no bo 1 x 1 i razy 6, tak, 6 boków. Natomiast jeżeli mamy kostkę, której bok będzie dłuższy o 1 cm, czyli tu są 2 cm, no to objętość będzie wynosić 8 cm³, dlatego że 2 x 2 to jest 4, i potem razy 2 to 8. Ale już powierzchnia będzie wynosić 24 cm², tak, bo mamy 2 x 2 = 4 i razy 6 boków. Także widzicie, że po zwiększeniu boku kostki o 1 cm objętość wzrosła aż osiem razy – z 1 cm³ do 8 cm³ – ale powierzchnia wzrosła tylko 4 razy. Czyli powierzchnia nie wzrosła proporcjonalnie do objętości. I to się nazywa, w przypadku komórek, że wraz ze wzrostem objętości tej komórki jest coraz bardziej niekorzystny stosunek powierzchni do objętości. Dlaczego niekorzystny? Musimy pamiętać o tym, że komórki cały czas muszą pobierać substancje odżywcze, muszą usuwać substancje zbędne i szkodliwe, że cały czas zachodzi wymiana między komórką a otoczeniem, która jest niezbędna jej do życia. I teraz, jeżeli powierzchnia jest coraz mniejsza w stosunku do objętości, to tak jakby ta wymiana będzie coraz mniej efektywna. Możemy to sobie porównać do takiej sytuacji – to będzie trochę dziwna wizja, ale to jest najlepsze, co mi przyszło do głowy – że powiedzmy, że mamy jakieś pomieszczenie, pudełko, w którym są zamknięte na przykład króliczki, czy jakieś ludziki, czy inne zwierzątka, wszystko jedno, jakieś organizmy żywe, i mieści się tam określona ilość w danej objętości tego pomieszczenia, tego pudełka. No i mamy okienka, i przez to okienka dostarczamy pokarm, usuwamy z nieczystości, resztki i tak dalej. I teraz, jeżeli zwiększymy dwukrotnie to pomieszczenie, jeśli chodzi o długość boku, no to będziemy mieć więcej króliczków, ale już powierzchnia tego pudełka nie zwiększy nam się współmiernie do tej objętości, tylko zwiększy nam się mniej. Czyli już mniej okienek będzie przypadać na znacznie większą liczbę króliczków. Jeżeli będziemy tak stopniowo zwiększać to pomieszczenie, no to w pewnym momencie już będziemy mieć za mało okienek na tę liczbę króliczków, która jest w środku, na zapewnienie ich potrzeb. Także stopniowo część króliczków będzie głodować, potem część będzie przysypana różnymi nieczystościami, resztkami jedzenia i tak dalej, no i to może po jakimś czasie być wręcz tragiczne w skutkach. I podobnie by się działo z komórką, gdyby była za duża – wtedy jej powierzchnia będzie za mała w stosunku do objętości, żeby nadążyć za potrzebami tej komórki, za pobieraniem substancji odżywczych, za usuwaniem zbędnych produktów i tak dalej. Czyli im większa jest objętość komórki, tym większy jest problem z tą wymianą substancji. Szczególnie najgorszym przypadkiem jest kulista komórka – w tym przypadku ten stosunek powierzchni do objętości jest najbardziej niekorzystny. Natomiast wszelkie pofałdowania powierzchni komórki powodują, że ten stosunek powierzchni do objętości robi się bardziej korzystny. I tak jest na przykład w kosmkach jelitowych, które mają bardzo pofałdowaną tą od strony światła jelita powierzchnię, przez co mają jakby znacznie, znacznie większą powierzchnię przy podobnej objętości. Okej. Mam nadzieję, że to jest w miarę zrozumiałe i wyjaśniam wam, dlaczego komórki nie mogą być nieskończenie duże.

A wróćmy jeszcze do tych kształtów, mianowicie jakie mogą być kształty komórek? Ogólnie mogą być bardzo, bardzo różne – różnorodność jest wręcz niesamowita – od komórek tak właśnie okrągłych, jak komórka jajowa, po neurony, które są bardzo porozgałęzione i długie. Ale takie podstawowe kształty – to jest to, co mamy tutaj: kuliste komórki zdarzają się bardzo rzadko, przynajmniej jeśli chodzi o organizmy wielokomórkowe, dlatego że komórka może być kulista tylko wtedy, jeżeli nie ma ucisku ze strony innych komórek. A w tkankach, jak mamy organizm wielokomórkowy, to w tkankach zazwyczaj komórki leżą blisko siebie, ciasno uciskają na siebie. Także mają kształty jakieś takie bardziej, powiedzmy, sześcienne czy no różne, ale nie kuliste. Natomiast komórki jajowe rozwijają się w pęcherzyku jajnikowym, gdzie nic ich nie uciska z zewnątrz, dlatego mogą mieć taki właśnie okrąglutki kształt, ale jest to, jest to raczej wyjątek.

No i teraz na koniec coś, co określę jako rodzaje zależności międzykomórkowych, co może brzmieć jakoś tak bardzo wyrafinowanie, ale chodzi po prostu o rodzaje jakby złożoności, czyli to, że mamy jednokomórkowce, wielokomórkowce i tak dalej. No i właśnie jednokomórkowce to są oczywiście te organizmy, które są jednokomórkowe, składają się z jednej komórki, i ta komórka jest samowystarczalna, samodzielna, nie potrzebuje do przeżycia innych komórek swojego gatunku. Oczywiście musi się odżywiać, pełnić różne funkcje życiowe, ale jest tutaj pod tym względem niezależna. No i tak naprawdę tak wygląda zdecydowana większość organizmów na Ziemi, dlatego że oczywiście zdecydowana większość organizmów na Ziemi jest bakteriami, czy też ogólnie prokariontami – bakteriami i archeonami. I jak mówię większość, to to jest naprawdę przerażająca większość, ponieważ aby to sobie zobrazować musicie wziąć pod uwagę rozmiary bakterii, jak bardzo one są małe. Jest wiele takich porównań, które mogą to wam uzmysłowić, ale przykładowo jeżeli sobie weźmiemy kostkę do gry, taką o boku 1 cm, to w takiej kostce zmieści się około 1000 miliardów bakterii. Pomyślcie sobie teraz, ile ludzi mamy w tym momencie na całej Ziemi – około 8 miliardów, tak, wybiło chyba w zeszłym roku albo w tym, nie pamiętam. No to w takiej kostce jest 1000 miliardów, w jednej kostce, no to ile jest bakterii na całej Ziemi? Chciałam powiedzieć, że możecie sobie wyobrazić, ale raczej nie możecie sobie wyobrazić, raczej nie możemy sobie wyobrazić, bo to są liczby niewyobrażalne. Także tak wygląda właśnie większość organizmów na Ziemi – jesteśmy w zdecydowanej mniejszości.

Natomiast drugi rodzaj to są tak zwane formy kolonijne. I tutaj pozwoliłam sobie przytoczyć tytuł piosenki zespołu Ich Troje. Mam nadzieję, że większość z was jest za młoda, żeby pamiętać tego rodzaju muzykę, chociaż nie wiem, czy dzisiejsza muzyka jest lepsza. Niemniej jednak, ja tego nie słuchałam. Żeby nie było, ja tego nie słuchałam, i ja tylko po prostu się orientuję, bo jestem, bo jestem wszechstronnie wykształcona. W każdym razie, tytuł tej piosenki: „Razem, a jednak osobno”, po prostu idealnie oddaje, czym są formy kolonijne. W formach kolonijnych komórki żyją sobie razem, jakby tworząc jakiś taki zlepek w różnych kształtach – to mogą być nici czy inne formy. Ale każda komórka jest nam właściwie niezależna. Jeżeli ją zabierzemy z tej kolonii, to ona będzie sobie funkcjonować równie dobrze samotnie. Tworzenie kolonii daje pewne korzyści: na przykład tworząc dużą kolonię jest trudniej zostać zjedzonym, można sobie stworzyć przyjemniejsze warunki do życia i tak dalej. Ale jakby w przypadku organizmów kolonijnych nie jest to konieczne do przeżycia.

Natomiast trzeci rodzaj, czyli organizmy wielokomórkowe, to już jest zupełnie nowa jakość życia i nowe możliwości związane z wielokomórkowością. Z tym że tutaj wyróżniamy jakby też dwa rodzaje tej wielokomórkowości. Ja to określę jako „plechy i bebechy”. I zaraz się wytłumaczę z tej poezji, ale chodzi generalnie o to, że wśród organizmów wielokomórkowych mamy plechowce, i to są organizmy beztkankowe, albo takie, które mają bardzo słabo wykształcone tkanki, ale ogólnie składają się z masy praktycznie takich samych komórek. Te komórki mogą być ze sobą powiązane, połączone, ale nie ma między nimi jakieś takiej specjalizacji na tkanki. No i tutaj przykładem jest grzybnia, czy też jakieś pełzaki, śluzowce, protisty grzybopodobne, niektóre glony – one właśnie, ich ciało jest taką plechą. I to jest spoko, ale ma swoje ograniczenia: to znaczy na przykład żaden plechowiec nie osiągnie kształtów i rozmiarów powiedzmy słonia czy właśnie żyrafy. Owszem, one mogą być bardzo duże – wręcz zdaje się, że z tego, co obecnie wiadomo, to największym organizmem na Ziemi, czy jednym z największych organizmów na Ziemi, jest właśnie grzyb – ogromna grzybnia ciągnąca się na przestrzeni wielu kilometrów kwadratowych w Ameryce. Ale to jakby jest możliwe dzięki temu, że grzybnia ma postać takich bardzo porozgałęzionych, cienkich niteczek, gdzie każda ta niteczka kontaktuje się z otoczeniem, może wymieniać substancje odżywcze i tak dalej. Natomiast plechowce nie mogą osiągnąć takich dużych, zwartych rozmiarów, tak jak ten przykładowy słoń, dlatego że wtedy w środku takiego organizmu, do środka jakby nie mogłyby docierać substancje odżywcze, czy nie wiem, tlen, czy cokolwiek, no bo nie byłoby żadnych tkanek przewodzących, układu krążenia i tak dalej. Także plechowce mogą być bardzo duże i w ogóle, ale no właśnie mają pewne ograniczenia, jeśli chodzi o obudowę, co wynika z tego braku specjalizacji. Natomiast organizmy, które mają „bebechy”, czyli wnętrzności po prostu, czyli coś, co jest zbudowane z wyspecjalizowanych tkanek, one mogą osiągać duże rozmiary, mogą osiągać bardzo dużą różnorodność budowy i tak dalej, czego my chociażby jesteśmy przykładem, prawda? Duża różnorodność budowy, duże możliwości naszych organizmów, ich funkcjonowania i w ogóle, choć to też powoduje, że jesteśmy bardziej kruchymi organizmami. Bo taką grzybnię można sobie, nie wiem, podzielić na kilka kawałków, i każda sobie będzie rosła samodzielnie. Natomiast jak nas się podzieli na kilka kawałków, no to wiadomo. Tak więc tutaj jeszcze znowu pozwalam sobie zacytować fragment wspomnianej piosenki, ponieważ ta fraza: „Beze mnie nie znaczysz już nic”, idealnie oddaje właśnie zależność, jaka występuje u organizmów tkankowych. I ona trochę przypomina miasto. Możemy to tak porównać: w mieście my wszyscy tak naprawdę jesteśmy w jakiś sposób od siebie uzależnieni. Może na co dzień tego tak nie odczuwacie bardzo, czy nie zastanawiacie się nad tym, ale wyobraźcie sobie, że pracownicy elektrowni stwierdzili, że nie idą do pracy, dostawcy towarów do sklepów również sobie dali wolne, w ogóle wszyscy sobie dali wolne – nie mamy prądu, nie mamy co jeść, komunikacja stoi, internet odcięty, właściwie nie ma jak żyć, nie na dłuższą metę. I podobnie organizm wielokomórkowy jest trochę właśnie jak takie miasto, gdzie poszczególne komórki, tkanki są od siebie wzajemnie uzależnione. Komórki nie mogą żyć samodzielnie poza organizmem, dlatego że każda się specjalizuje w czym innym. I tak jak pracownicy elektrowni się specjalizują w pracy w elektrowni, są z kolei uzależnieni na przykład, jeśli chodzi o jedzenie, od rolników, dostawców do sklepów i tak dalej. To tak samo jak w naszych organizmach: jedne komórki są wyspecjalizowane w pobieraniu pokarmu, na przykład na błonie jelita, inne w przewodzeniu go, w dostarczaniu tlenu i tak dalej, i tak dalej. Także bez siebie osobno, nawzajem nie są w stanie funkcjonować. Ale też dzięki tej specjalizacji no możemy właśnie osiągać tak skomplikowaną budowę i takie możliwości związane z tą budową, jak chociażby to, że ja do was teraz mówię, wy mnie słyszycie, możecie widzieć ten filmik, macie narządy zmysłów, rozwinięty układ nerwowy, mniej lub bardziej, i tak dalej. Także to wynika ze specjalizacji waszych komórek, i nie wątpliwie, i jest to coś wspaniałego. No i tym optymistycznym akcentem zakończymy ten odcinek. To było na tyle, jeśli chodzi o ten wstęp, o te informacje ogólne. W następnym filmie zajmiemy się już konkretnie budową błon komórkowych. Ja na ten moment dziękuję wam za uwagę i zapraszam do następnego odcinka.