Движение цитоплазмы (циклоз)

 

Что такое движение цитоплазмы

 

 

Цитоплазма является неотъемлемой частью любой эукариотической клетки. В этой полужидкой прозрачной субстанции содержатся все важнейшие органеллы (органоиды) клетки, а также ядро, в котором содержится генетическая информация. Но в ходе жизнедеятельности клетки цитоплазма не может пребывать в статичном состоянии. На протяжении всего жизненного цикла клетки цитоплазма находится в постоянном движении. Это называется эндоплазматическим (цитоплазматическим) потоком, или циклозом.

 

 

Цитоплазма движется вместе с находящимися внутри клетки органоидами. За счёт циклоза они меняют своё местоположение. При этом циклоз происходит во всех клетках эукариот. То есть, в животных, растительных и даже в грибных клетках. И, если упрощать, у движения цитоплазмы важнейшая роль в обменных процессах в клетке и в процессах распределения веществ внутри неё. Иными словами, доставляет воздух, те или иные микроэлементы и вещества конкретным органоидам, а другие вещества от этих органоидов уносит, и даже участвует в выведении из клетки вредных веществ и формировании запасов энергии, необходимой для работоспособности клетки. Также цитоплазматический поток позволяет определять состояние клеточных структур.

 

Интересно, что циклоз является одним из самых чувствительных показателей клеточной жизнедеятельности, поскольку многие воздействия, даже самые, на первый взгляд, незначительные, могут или ускорить движение цитоплазмы, или замедлить его, а то и остановить. В одноклеточных же организмах (как пример — амёба) движение цитоплазмы также позволяет этим организмам двигаться.

 

Важно знать, что открытие циклоза в 30-х годах XIX века имело поистине колоссальное значение в биологии. Ведь именно это явление и позволило учёным начать считать в качестве элементарной единицы строения всех живых организмов на Земле клетку.

 

 

Циклоз может осуществляться с разной скоростью, а также имеет разные типы, к примеру, цитоплазма может двигаться по круговому, или вращательному (ротационному) типу, по струйному, по колебательному типу. Но он свойственен всем видам клеток эукариот. И тем не менее, учёным и лаборантам привычнее изучать вопросы движения цитоплазмы именно на примере растительных клеток, причём, как у одноклеточных растений, так и у многоклеточных.

 

 

Какое значение для растения имеет движение цитоплазмы

 

 

Растительные и животные клетки хоть и относятся к эукариотическим, но при этом значительно отличаются друг от друга. Так, и у животных, и у растительных клеток ядро может быть только одним, однако у животных клеток нет клеточной оболочки, пластид и вакуолей (последние если и встречаются в животных клетках, то только мелкие), а в качестве основного запасного углевода для клеток служит гликоген.

 

В растительных клетках обязательно присутствуют пластиды и вакуоли крупного размера, они окружены клеточной оболочкой, строительным материалом которой является целлюлоза, а запасным веществом является крахмал. На этом фоне выделяются клетки грибов (которые тоже являются эукариотическими): как у животных клеток, в грибных нет вакуолей (либо таковые встречаются в маленьком размере) и пластид, а запасным веществом является гликоген.

 

И при этом у грибных клеток есть клеточная оболочка, как у растительных, но материалом для оболочки служит не целлюлоза, а хитин. И самое невероятное — в клетках грибов не одно ядро, а два и даже больше. Но есть кое-что общее у клеток и грибов, и животных, и растений. У них всех есть цитоплазма, которая не может пребывать в статичном положении.

 

Но нужно акцентировать внимание на растительных клетках. Ведь циклоз для них играет очень важную роль. Дело в том, что за счёт циклоза оказывается возможным перемещение внутри клетки различных питательных веществ и полезных микроэлементов, обеспечивающих здоровое существование как самой клетки, так и всего организма. И более высокий уровень жизнедеятельности ускоряет процесс циклоза.

 

Соответственно, полная остановка циклоза возможна лишь в одном случае — при гибели клетки. Также в растительных клетках циклоз помогает осуществлять процесс фотосинтеза. Ведь благодаря движению цитоплазмы хлоропласты, дающие растениям зелёный цвет и осуществляющие фотосинтез, способны принять оптимальное положение, чтобы в процессе фотосинтеза клетка могла получать наибольшее количество световой энергии.

 

 

Типы движения цитоплазмы

 

 

В качестве основных типов циклоза рассматриваются три типа, а именно: круговое движение (его ещё называют вращательным или ротационным), струйчатое движение и колебательное движение. Но помимо этих видов также выделают и другие типы наподобие спонтанного движения, постоянного движения и движения, индуцированного внешними факторами.

 

В качестве таковых выделяются освещённость, механическое воздействие, температура, содержание и концентрация химических соединений и веществ, а также их изменения. Также дополнительно выделяют фонтанирующее (которое является промежуточным между круговым и струйчатым) и прерывистое движение (осуществляется толчками, подобно пульсу).

 

 

Круговое (вращательное или ротационное) движение цитоплазмы

 

 

Лучше всего особенности циклоза, в том числе и типов движения цитоплазмы, определяются на примере растительных клеток. К примеру, особенности вращательного (ротационного или кругового) движения легко определяются за счёт органоидов. Ведь круговое движение свойственно цитоплазме тех клеток, в центре которых расположена крупная вакуоль, а цитозоль и другие органоиды из-за этого смещены к стенкам.

 

В таких условиях движение по кругу в одном и том же направлении — единственно возможный вариант движения. И как раз в этом типе движения особенно заметно влияние микрофиламентов, которые и являются главной движущей силой циклоза, но об этом чуть позже. Лучше всего такого рода движение цитоплазмы распознаётся в клетках листьев водных растений, корневых волосков, пыльцевых трубок. Вращательное (круговое, ротационное) движение нередко свойственно зрелым или стареющим клеткам.

 

 

Струйчатое движение цитоплазмы

 

 

Струйчатое движение (его также называют циркуляционным) куда более сложное. В некоторых клетках (к примеру, в клетках волосков крапивы или молодых волосков тыквы, а также в клетках ягод снежноягодника) цитоплазма перетекает во все стороны множеством тонких струек. Чаще всего такое движение цитоплазмы есть у молодых растительных клеток, в цитоплазме которых есть определенные протоплазматические тяжи, что проходят через полость клетки и соединяют участки цитоплазмы возле (или вокруг) ядра с участками у стенок. Сквозь такие тяжи цитоплазма и перетекает. При этом направление движения с течением времени может изменяться.

 

 

 

Колебательное движение цитоплазмы

 

 

Колебательное движение, в свою очередь, называют самым простым типом движения цитоплазмы. В тех клетках (в частности, в клетках водорослей спирогиры, сцеплянок), в которых присутствует данный тип циклоза, мелкие частицы цитоплазмы (а точнее, её внутреннего слоя) способны плавно скользить в одном и том же направлении.

 

 

Спонтанное движение цитоплазмы

 

 

Другое название спонтанного движения — первичное (вторичным называется то движение цитоплазмы, что индуцировано внешними факторами). Из этого можно понять (равно, как и из названия), что в некоторых клетках (как пример — клетки водорослей хары, нителлы, а также клетки корневых волосков у многих видов растений) циклоз может начаться внезапно, без воздействий извне, и осуществляться самопроизвольно.

 

 

Постоянное движение цитоплазмы

 

 

Противоположностью спонтанного движения цитоплазмы является постоянное, то есть, такой процесс циклоза, который осуществляется непрерывно и без изменений. Такой тип циклоза встречается в клетках листьев растений, и нередко именно он является ещё и колебательным.

 

 

Движение цитоплазмы, индуцированное внешними факторами

 

 

Некоторые растительные клетки (в частности, клетки валлиснерии или элодеи) имеют такую особенность циклоза. Цитоплазма начинает двигаться, либо ускоряет движение под воздействием внешних факторов. Так, на биохимическом уровне катализаторами для этих процессов могут послужить вещества наподобие альфа-аминокислот, солей металлов, гетероауксина, сапонина, гистидина, серной кислоты, спирта, эфира, но при этом, например, и видимый свет может запустить или ускорить процесс.

 

Этим можно объяснить то, почему важно регулярно поливать комнатные, садовые и огородные растения, обеспечивать их доступ к теплу, к солнечному свету (или к свету в принципе), к свежему воздуху. Ведь это ускоряет движение цитоплазмы и улучшает показатели жизнедеятельности не только отдельных клеток, но и растений целиком. Индуцированное движение по-другому может называться вторичным (первичным является спонтанное движение).

 

 

Скорость движения цитоплазмы

 

 

Движение цитоплазмы в среднем может осуществляться со скоростью 0,2-0,6 мм в минуту. При этом в отдельных клетках разных растений циклоз может осуществляться ещё медленнее, а в других (как, например, в междоузлиях водорослей хары) в разы быстрее (в данном случае — 6 мм в минуту), и по мере интенсификации показателей жизнедеятельности клетки скорость циклоза тоже может увеличиваться.

 

 

 

Как наблюдать движение цитоплазмы

 

 

Главное, что позволяет сделать вывод о том, что в клетке происходит циклоз — это органеллы (органоиды), которые двигаются, меняют местоположение внутри клетки. Особенно хорошо заметно движение органоидов в больших клетках, в которых есть вакуоли крупного размера. При наблюдении за клетками растений в микроскоп лучше всего получается разглядеть движение пластид, в том числе хлоропластов. Именно по их движению можно определить не только сам факт наличия циклоза, но и тип движения цитоплазмы.

 

 

Но не менее важно знать и то, что позволяет осуществляться циклозу. Сам процесс движения цитоплазмы осуществляется с помощью особых элементов клеточного скелета (также называется цитоскелетом), называемых микрофиламентами. По сути, это нити, диаметр которых варьируется от 6 до 8 нанометров, и материалом которых служит глобулярный белок актин. Микрофиламенты присутствуют во всех эукариотических клетках, но как раз  за счёт микрофиламентов и происходит процесс циклоза именно в растительных клетках. Ещё циклоз возможен благодаря микротрубочкам из тубулина. Источником эндоплазматического потока является источник энергии всех биохимических процессов и реакций на клеточном уровне — аденозинтрифосфат, или АТФ.

 

 

Осмос, плазмолиз и деплазмолиз

 

 

Цитоплазма способна не только к постоянному движению, но к сжатию и расширению. Но есть и такие ситуации, когда сжимается не только цитоплазма, но всё, что в пределах клеточной оболочки, и тут дело не в особенностях циклоза. В растительных клетках также есть такое явление, как плазмолиз, и оно затрагивает весь протопласт (а это всё внутреннее содержимое клетки — цитоплазма с органоидами, ядро — вместе с клеточной мембраной).

 

Плазмолизом называется процесс отслоения протопласта от клеточных стенок. Такое возможно в гипертонических растворах. К плазмолизу могут быть способны только клетки с плотной клеточной стенкой, то есть, растительные и грибные клетки, а также клетки у больших бактерий, тогда как животные клетки в гипертоническом растворе (то есть, в растворе, концентрация вещества в котором превышает концентрацию внутриклеточных жидкостей, которые оказываются вытеснены из клетки в результате наружного давления) просто сжимаются, но без отслоения протопласта.

 

Перед плазмолизом пропадает клеточный тургор (то есть, напряжение клеточных оболочек). Плазмолиз и его характер определяется несколькими факторами, среди которых — вязкость цитоплазмы, разница осмотического давления внутри клетки и вне её, химический состав наружного раствора и его токсичность, размер, форма и количество вакуолей, количество и характер плазмодесм (так называют цитоплазматические нити, которые соединяют растительную клетку с соседними).

 

Плазмолиз может быть нескольких видов: уголковым, вогнутым и выпуклым. При уголковом плазмолизе протопласт отслаивается от клеточной стенки лишь на некоторых участках; при вогнутом — отслаивается от большей части стенки; при выпуклом происходит полное отслоение протопласта, и клетка в итоге погибает, поскольку выпуклый плазмолиз становится необратимым.

 

При этом вогнутый плазмолиз можно обратить вспять, если клетка окажется окружена гипотоническим раствором, сжавшаяся из-за утери жидкости клетка восполняет недостающую жидкость, и происходит то, что является противоположностью плазмолиза — деплазмолизом. Ещё учёные выделяют судорожный плазмолиз, который похож на выпуклый за исключением того, что протопласт всё же сохраняет связь со стенкой за счёт цитоплазматических нитей. Удлинённые клетки могут быть подвержены колпачковому плазмолизу.

 

Деплазмолизом называется восстановление полной связи протопласта растительных клеток с клеточной стенкой, восстановление его исходного состояния и нормального тургора. Деплазмолиз возможен в гипотоническом растворе или в воде, и этот процесс, в отличие от плазмолиза, не отличается промежуточными формами (коих нет), и потому происходит в разы быстрее.

 

 

Явления плазмолиза и деплазмолиза напрямую связаны с осмосом. Так называется диффузионное проникновение вещества-растворителя сквозь полупроницаемые мембраны, которые удерживают раствор или растворы вещества в разных концентрациях. И осмос непосредственно связан с циклозом, ведь именно за счёт осмоса в эукариотическую клетку попадает вода, а следовательно — и содержащиеся в ней вещества, которые при движении цитоплазмы попадают к тем или другим органоидам, которые занимаются усвоением этих веществ.

 

К тому же, благодаря осмосу увеличивается вакуоль в растительной клетке, и это позволяет обеспечивать постоянное напряжение, или внутриклеточный тургор. Осмос позволяет растениям быть более упругими, помогает отдельным видам двигаться через усы или лианы, а также позволяет переносить питательные вещества по стволам деревьев.