В пределах, охватываемых мембраной, тело клетки состоит из цитоплазмы и ядра. Несмотря на большое количество воды, входящей в состав цитоплазмы, внутриклеточная среда представляет собой вязкую, киселеобразную массу. Эта среда бесструктурна, а в неё погружены разнообразные структурные образования – временные цитоплазматические включения и постоянно действующие «органы» клетки, именуемые органеллами (т. е. маленькими «органами»). Вязкость среды (цитоплазмы) меняется в зависимости от впитывания воды от более жидкого состояния к более вязкому, гелевому.
Включения представляют собой пузыри из питательных веществ или отработанных продуктов, выделяемых через мембрану. К числу органелл относятся митохондрии, рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи и т. д. Каждая из органелл защищена своей мембраной, подобно фортификационным сооружениям. Митохондрии были так названы из-за своего строения, имеющего под микроскопом вид скопления нитей, зёрен, палочек и других конфигураций. В переводе с древнегреческого «митос» означает нить, а «хондрос» – зерно. У митохондрий две мембраны – внешняя и внутренняя. Внутренняя мембрана образует складки, именуемые кристами, которые по внешнему виду напоминают стенки причудливого лабиринта. В этом «лабиринте» содержится жидкость, именуемая матриксом. В матриксе находятся самые различные вещества, пригодные для извлечения энергии – ферменты-катализаторы различных реакций, белки, жиры, углеводы, молекулы ДНК и РНК, рибосомы (миниатюрные «фабрики» синтеза белков), ионы неорганических веществ и т. д.
Главная функция митохондрий, вызывающая интерес к ним как у учёных, так и у читающей публики, заключается в извлечении и накоплении энергии для энергоснабжения жизнедеятельности клетки и всех прочих её функций, в том числе и размножения. Энергонасыщение клеток – основа энергонасыщенного функционирования организма. В митохондриях с участием ферментов происходит «сжигание» различных химических веществ, главным образом, углеводородных соединений, служащих биологическим «горючим». Окисление этих веществ в атмосфере кислорода, поступающего в митохондрии в процессе внутриклеточного «дыхания», приводит к выработке энергии, которая немедленно запасается в биологически применимой форме путём синтеза специального «аккумулирующего» вещества с очень сложным и длинным названием – аденозинтрифосфата, сокращённо АТФ. Процесс добывания и аккумулирования энергии в митохондриях получил название окислительного фосфорилирования. Внутренняя мембрана с её кристами способствует окислению путём переноса электронов и накапливает фермент АТФ – синтетазу, который катализирует реакции синтеза АТФ.
Лизосомы представляют собой маленькие пузырьки с ферментами для переваривания белков, жиров, углеводов и даже нуклеиновых кислот. Это миниатюрные химические лаборатории, осуществляющие клеточное пищеварение и утилизацию накопившегося мусора – чужеродных частиц, структур, отмирающих и повреждённых компонентов жизнедеятельности клетки.
Формирование лизосом происходит в комплексах (аппаратах) Гольджи, сетчатой структуры, расположенной вокруг ядра и состоящий из «мешочков» – «цистерн», образуемых мембранами. В «цистернах» происходит накопление веществ, которые затем «дорабатываются» в лизосомах.
Ядра клеток выполняют роль мобилизационных структур, которые на клеточном уровне всё ещё примитивны, не охватывают управленческими воздействиями всего порядка, обеспечивающего функционирование внутриклеточных структур и предоставляют им полную самостоятельность, регулируемую разделением функций. Мобилизующая роль ядра коренится в наличии в нём ДНК, содержащей генетическую программу эволюции клетки, упорядочивающей размножение клеток как форму экспансии их во внешний мир, контролирующей синтез белка и ферментов. Лишение клеток их ядра приводит к потере способности к размножению, к прекращению синтеза белков и к гибели клетки.
Простейшие клеточные организмы, к числу которых относятся бактерии и сине-зелёные водоросли, вообще не имеют ядер. Роль упорядочивающих структур в них играет молекула ДНК, содержащаяся в единственной хромосоме. Такие примитивные организмы получили название прокариотов. Безъядерные клетки прокариотов управляются генетическими структурами, которые расположены непосредственно в цитоплазме. Эти структуры и регулируют обмен веществ, поддержание стабильности, размножение и другие функции клеток.
Ядерные клетки, эукариоты, появились в процессе прогрессивной эволюции около 3 млрд. лет назад. Ядра клеток эукариотов состоят из оболочки, ядерного сока (матрикса), ядрышка и хроматина. Оболочка отделяет генетический материал хромосом от многообразных реакций цитоплазмы. Защита здесь особенно крепка, поскольку оболочка состоит из двух мембран, разделённых околоядерным пространством. Такая двойная линия обороны, тем не менее, пронизана порами, размер которых составляет не более 80–90 нм. Внутреннюю мембрану возле пор укрепляет ещё одно «фортификационное сооружение» – плотная пластинка, состоящая из твёрдых белков. Она играет роль своеобразного каркаса, поддерживающего форму ядра даже в случае разрушения обеих мембран оболочки в ходе гибели клетки. Возможно, что белковый каркас поддерживает упорядоченное расположение хромосом до начала процесса деления клетки. В отличие от студнеобразной клетки ядро имеет плотное строение.
Ведущую часть структуры ядер составляют хромосомы (от греч. «хрома» – краска, цвет). Ещё в 1848 г. немецкий исследователь В. Гофмейстер установил, что при делении клеток их ядра испытывают какие-то превращения, распадаясь на продолговатые образования, которые хорошо окрашивались для наблюдений под микроскопом. Он назвал эти образования хромосомами, т. е. окрашиваемыми телами. Хроматин (вещество) ядра имеет форму гранул или глыбок, окрашенных специальными красителями. Структурные элементы хроматина, хромосомы, представляют собой длинные тонкие нити, которые в периоды деления клеток завиваются в спирали и становятся плотными, прямыми или изогнутыми тельцами. Около 40 % состава хромосом образуют молекулы ДНК и около 60 % – белки.
Строение хромосом принципиально различно у соматических и половых клеток. В соматических клетках хромосомы располагаются парами и их количество вдвое больше, чем у половых клеток, для которых присуще непарное расположение хромосом. Поэтому набор хромосом соматических клеток называется диплоидным, двойным, а у половых клеток – гаплоидным, одинарным. Половое размножение лишило клетки, специализированные на половом взаимодействии обычного для делящихся клеток двойного набора хромосом. Одинарный, гаплоидный набор сделал половые клетки несамостоятельными, неспособными к автоматически действующему порядку деления. Для осуществления экспансии во внешний мир, организуемой ядром, им нужен второй набор хромосом, которые они могут найти только в партнёрской клетке партнёрского организма. Соответственно возникает и специализация хромосом на инициирующие, мобилизующие – мужские и восприимчивые, мобилизованные – женские. Сексуальное тяготение становится великой мобилизующей силой, которое наряду с пищевым рефлексом побуждает живые существа с постоянной биологически целесообразной деятельности для повышения качества жизни, а тем самым – и к повышению качества устройства организма и целесообразного поведения.
Соответственно сложились два принципиально различных способа деления клетки – митоз и мейоз. Митоз присущ соматическим клеткам, он заключается в образовании двух дочерних ядер с наборами хромосом, идентичными тем, что имелись у родительской клетки. Мейоз происходит только у половых клеток вследствие наличия у них одинарного набора хромосом и потребности для деления в партнёрских клетках также с одинарным набором хромосом.
Наборы хромосом постоянны у каждого вида. Например, у ржи диплоидный набор хромосом составляет 14, у человека равен 46 хромосомам, тогда как гаплоидный набор его половых клеток включает 23 хромосомы.
Жизненный цикл каждой клетки определяется её подготовкой к делению и осуществлением процесса размножения. Именно в определении жизненного цикла клеток заключается регулирующая и мобилизующая роль клеточных ядер. При этом клеточное ядро делится с образованием четырёх дочерних ядер, каждое из которых содержит, естественно, вдвое меньше хромосом, чем дочернее ядро. Полный клеточный цикл принято рассматривать от одного деления клетки до другого. Подобно этому цикл человеческой жизни рассматривается от рождения до смерти, а среднесрочные экономические циклы определяются от кризиса до кризиса.
Продолжительность клеточного цикла так же неодинакова, как продолжительность человеческой жизни или продолжительность циклов рыночной экономики. Можно вычислять лишь среднюю продолжительность для тех или иных клеточных структур.
Наиболее длительным периодом в жизни клетки является интерфаза, т. е. фаза её развития между её полным отделением от раздвоившейся материнской клетки и началом её собственного деления, порождающего дочерние клетки. Интерфаза подразделяется на три периода. В первый период клетка растёт, образует органеллы, синтезирует структурные и функциональные белки, ДНК и РНК. На втором этапе клетка взрослеет, вступает в пору зрелости. Происходит раздвоение хромосом по две хроматиды, репликация ДНК, синтез обслуживающих ДНК белков и ферментов. В третий период осуществляется деление митохондрий, накопление энергетических запасов клетки, повышение интенсивности биосинтеза, формируются нитеобразные компоненты будущего веретена деления.
Затем после столь всесторонней подготовки, занимающей более 80 % времени жизненного цикла клетки, начинается сам процесс деления, в котором исследователи выделения пять основных фаз – интерфазу, профазу, метафазу, анафазу и телофазу, а также отдельный период – цитокинез.
В профазе происходит спирализация хромосом, распад оболочки ядра и ядрышка, формирование веретена деления. В метафазе хромосомы прикрепляются к нитям веретена деления в «экваториальной» зоне клетки, там, где впоследствии пройдёт линия раздела.