Solun määritelmä
Solut ovat elämän perusyksikkö. Nykymaailmassa ne ovat pienin tunnettu maailma, joka suorittaa kaikki elämän toiminnot. Kaikki elävät organismit ovat joko yksittäisiä soluja tai monisoluisia organismeja, jotka koostuvat monista yhdessä toimivista soluista.
Solut ovat pienin tunnettu yksikkö, joka pystyy suorittamaan kaikki nämä toiminnot. Määritteleviä ominaisuuksia, joiden ansiosta solu pystyy suorittamaan nämä toiminnot, ovat:
- Solukalvo, joka pitää elämän kemialliset reaktiot koossa.
- Vähintään yksi kromosomi, joka koostuu geneettisestä materiaalista, joka sisältää solun ”piirustukset” ja ”ohjelmiston”.”
- Sytoplasma – solun sisällä oleva neste, jossa elämän kemialliset prosessit tapahtuvat.”
Seuraavassa keskustellaan tehtävistä, jotka solujen on täytettävä elämän mahdollistamiseksi, ja siitä, miten ne täyttävät nämä tehtävät.
Solujen tehtävät
Tutkijat määrittelevät seitsemän tehtävää, jotka elävän organismin on täytettävä. Nämä ovat:
- Elävän olennon on reagoitava ympäristössään tapahtuviin muutoksiin.
- Elävän olennon on kasvettava ja kehityttävä koko elinkaarensa ajan.
- Elävän olennon on kyettävä lisääntymään eli tekemään itsestään kopioita.
- Elävällä olennolla on oltava aineenvaihdunta.
- Elävän olennon on ylläpidettävä homeostaasia eli pidettävä sisäinen ympäristönsä samana ulkoisista muutoksista huolimatta.
- Elävän olennon on koostuttava soluista.
- Elävän olennon on siirrettävä ominaisuuksia jälkeläisilleen.
Solujen biologian ansiosta elävät olennot pystyvät suorittamaan kaikki nämä tehtävät. Seuraavassa käsitellään sitä, miten ne mahdollistavat elämän toiminnot.
Miten solut toimivat
Toteuttaakseen ne, niillä on oltava:
- Solukalvo, joka erottaa solun sisä- ja ulkopuolen toisistaan. Keskittämällä elämän kemialliset reaktiot pienen alueen sisälle kalvon sisällä solut mahdollistavat sen, että elämän reaktiot etenevät paljon nopeammin kuin ne muuten etenisivät.
- Geenimateriaali, joka kykenee siirtämään ominaisuuksia solun jälkeläisille. Lisääntyäkseen eliöiden on varmistettava, että niiden jälkeläisillä on kaikki tiedot, joita ne tarvitsevat voidakseen suorittaa kaikki elämän toiminnot. kaikki nykyaikaiset solut saavuttavat tämän DNA:n avulla, jonka emäspariutumisominaisuuksien ansiosta solut pystyvät tekemään tarkkoja kopioita solun ”piirustuksista” ja ”käyttöjärjestelmästä”. Jotkut tutkijat uskovat, että ensimmäiset solut saattoivat käyttää sen sijaan RNA:ta.
- Proteiinit, jotka suorittavat monenlaisia rakenteellisia, aineenvaihdunnallisia ja lisääntymistoimintoja.
Solujen on suoritettava lukemattomia erilaisia toimintoja saadakseen energiaa ja lisääntyäkseen.
Solusta riippuen esimerkkejä näistä toiminnoista voivat olla fotosynteesi, sokerin pilkkominen, liikkuminen, oman DNA:n kopiointi, tiettyjen aineiden päästäminen solukalvon läpi ja toisten pitäminen sen ulkopuolella jne.
Proteiinit koostuvat aminohapoista, jotka ovat ikään kuin biokemian ”Legoja”. Aminohappoja on erikokoisia ja -muotoisia, ja niillä on erilaisia ominaisuuksia, kuten napaisuus, ionivaraus ja hydrofobisuus.
Solut pystyvät yhdistelemällä aminohappoja perintöaineksensa ohjeiden perusteella luomaan biokemiallisia koneistoja, joilla ne voivat suorittaa lähes minkä tahansa toiminnon.
Jotkut tiedemiehet arvelevat, että ensimmäiset solut saattoivat käyttää RNA:ta joidenkin elintärkeiden toimintojen suorittamiseen ja siirtyä sitten mutaation seurauksena käyttämään paljon monipuolisempia aminohappoja tehtäviensä hoitamiseen.
Erilaisilla solutyypeillä, joita käsittelemme jäljempänä, on erilaiset tavat suorittaa nämä toiminnot.
Solutyypit
Maailman miljoonien erilaisten eliölajien vuoksi, jotka kasvavat ja muuttuvat vähitellen ajan kuluessa, lukemattomien olemassa olevien solutyyppien välillä on lukemattomia eroja.
Tässä tarkastelemme kuitenkin kahta tärkeintä solutyyppiä ja niiden kahta tärkeää alaluokkaa.
Prokaryootit
Prokaryootit ovat kahdesta tärkeimmästä solutyypistä yksinkertaisempia ja vanhempia. Prokaryootit ovat yksisoluisia eliöitä. Bakteerit ja arkebakteerit ovat esimerkkejä prokaryoottisoluista.
Prokaryoottisoluissa on solukalvo ja yksi tai useampi lisäsuojakerros ulkoista ympäristöä vastaan. Monilla prokaryooteilla on fosfolipideistä valmistettu solukalvo, jota ympäröi jäykästä sokerista valmistettu soluseinämä. Soluseinää voi ympäröidä toinen sokereista valmistettu paksu ”kapseli”.
Monilla prokaryoottisoluilla on myös värekarvoja, pyrstöjä tai muita tapoja, joilla solu voi ohjata liikkumistaan.
Nämä ominaisuudet sekä soluseinämä ja kapseli kuvastavat sitä, että prokaryoottisolut kulkevat yksinään ympäristössä. Ne eivät ole osa monisoluista organismia, jossa saattaa olla kokonaisia solukerroksia, jotka ovat omistautuneet suojelemaan muita soluja ympäristöltä tai luomaan liikettä.
Prokaryoottisoluilla on yksi kromosomi, joka sisältää kaiken solun olennaisen perintöaineksen ja toimintaohjeet. Tämä yksittäinen kromosomi on yleensä pyöreä. Siinä ei ole ydintä eikä muita sisäisiä kalvoja tai organelleja. Kromosomi vain kelluu solun sytoplasmassa.
Lisäperinnöllisiä ominaisuuksia ja informaatiota saattaa sisältyä muihin sytoplasmassa oleviin geeniyksiköihin, joita kutsutaan ”plasmideiksi”, mutta nämä ovat tavallisesti geenejä, joita prokaryootit siirtävät edestakaisin ”horisontaalisen geeninsiirron” prosessin kautta eli silloin, kun yksi solu antaa geneettistä materiaalia toiselle. Plasmidit sisältävät epäolennaista DNA:ta, jota solu voi elää ilman ja jota ei välttämättä siirretä jälkeläisille.
Kun prokaryoottisolu on valmis lisääntymään, se tekee kopion yhdestä kromosomistaan. Sitten solu jakautuu kahtia ja jakaa yhden kopion kromosomistaan ja satunnaisen plasmidivalikoiman kullekin tytärsolulle.
Tutkijoiden tähän mennessä tuntemia prokaryoottityyppejä on kaksi päätyyppiä: arkebakteerit, jotka ovat hyvin vanha elämänlinja, jolla on joitakin biokemiallisia eroja bakteereihin ja eukaryooteihin nähden, ja bakteerit, joita kutsutaan joskus ”eubakteereiksi” tai ”oikeiksi bakteereiksi” erottaakseen ne arkebakteereista.
Bakteerien ajatellaan olevan ”nykyaikaisempia” jälkeläisiä arkebakteereista.
Kummankin perheen nimessä on ”bakteerit”, koska niiden välisiä eroja ei ymmärretty ennen nykyaikaisten biokemiallisten ja geneettisten analyysitekniikoiden keksimistä.
Kun tutkijat alkoivat tutkia prokaryoottien biokemiaa ja genetiikkaa yksityiskohtaisesti, he löysivät nämä kaksi hyvin erilaista ryhmää, joilla on todennäköisesti erilaiset sukulaisuussuhteet eukaryootteihin ja erilainen evoluutiohistoria!
Joidenkin tiedemiesten mielestä ihmisen kaltaiset eukaryootit ovat läheisempiä sukulaisuussuhteita bakteereihin, koska eukaryooteilla on samankaltainen solukalvojen kemia kuin bakteereilla. Toiset taas ajattelevat, että arkkibakteerit ovat läheisempää sukua meille eukaryooteille, koska ne käyttävät samankaltaisia proteiineja kromosomiensa lisääntymiseen.
Jälleen toiset ajattelevat, että saatamme polveutua molemmista – että eukaryoottisolut ovat saattaneet syntyä, kun arkkibakteerit alkoivat elää bakteerisolun sisällä, tai päinvastoin! Tämä selittäisi sen, miksi meillä on molempien tärkeitä geneettisiä ja kemiallisia ominaisuuksia ja miksi meillä on useita sisäisiä osastoja, kuten ydin, kloroplastit ja mitokondriot!
Eukaryootit
Eukaryoottisoluja pidetään nykyaikaisimpana pääsolutyyppinä. Kaikki monisoluiset organismit, mukaan lukien sinä, kissasi ja huonekasvisi, ovat eukaryootteja. Eukaryoottisolut näyttävät ”oppineen” toimimaan yhdessä luodakseen monisoluisia eliöitä, kun taas prokaryootit eivät näytä kykenevän tähän.
Eukaryoottisoluilla on yleensä useampi kuin yksi kromosomi, joka sisältää suuria määriä geneettistä tietoa. Monisoluisen organismin sisällä näiden kromosomien eri geenit voivat olla ”päällä” ja ”pois päältä”, mikä mahdollistaa solut, joilla on erilaisia ominaisuuksia ja jotka suorittavat erilaisia toimintoja saman organismin sisällä.
Eukaryoottisoluissa on myös yksi tai useampi sisäinen kalvo, mikä on johtanut tiedemiehet siihen johtopäätökseen, että eukaryoottisolut ovat todennäköisesti kehittyneet, kun yksi tai useampi prokaryoottityyppi on alkanut elää symbioottisissa suhteissa toisten solujen sisällä.
Eukaryoottisoluissa esiintyviä sisäkalvoilla varustettuja organelleja ovat tyypillisesti:
- Eläinsoluissa – Mitokondriot, jotka vapauttavat energian sokerista ja muuttavat sen ATP:ksi äärimmäisen tehokkaasti.
Mitokondrioilla on jopa oma DNA, joka on erillään solujen ydin-DNA:sta, mikä antaa lisätukea teorialle, jonka mukaan mitokondriot ovat olleet ennen itsenäisiä bakteereja. - Kasvisoluissa – Kloroplastit, jotka suorittavat fotosynteesiä valmistamalla ATP:tä ja sokeria auringonvalosta ja ilmasta.
Kloroplasteilla on myös omaa DNA:ta, mikä viittaa siihen, että ne ovat saattaneet olla peräisin fotosynteesiä harjoittavista bakteereista. - Tydin – Eukaryoottisoluissa ydin sisältää solun keskeiset DNA:n pohjapiirrokset ja solun toimintaohjeet.
Ytimen kuoren ajatellaan tarjoavan ylimääräisen suojakerroksen DNA:lle myrkkyjä tai tunkeutujia vastaan, jotka saattaisivat vahingoittaa sitä.
Ei tiedetä, olisiko ydin saattanut joskus olla myös endosymbioottinen prokaryootti, vai onko sen kalvo yksinkertaisesti kehittynyt ylimääräiseksi suojakerrokseksi solun DNA:lle. - Endoplasminen retikulum – Tämä monimutkainen sisäinen membraani on solujen tärkein proteiinien luomispaikka. Endoplasmisen retikulumin evolutiivista alkuperää ei tunneta.
- Golgin laite – Tätä sisäisen kalvon kompleksia voidaan ajatella endoplasmisen retikulumin ”postitoimistona”. Se vastaanottaa proteiineja ER:stä, pakkaa ja ”leimaa” ne kiinnittämällä niihin tarpeen mukaan sokereita ja lähettää ne sitten lopulliseen määränpäähänsä!
- Muut – Monet eukaryoottisolut voivat luoda tilapäisiä sisäkalvon sisäisiä ”pusseja”, niin sanottuja ”vakuoleja”, varastoidakseen jätteitä tai pakatakseen tärkeitä materiaaleja.
Joillakin soluilla on esimerkiksi erityiset vakuolit, niin sanotut ”lysosomit”, jotka ovat täynnä syövyttäviä aineita ja ruoansulatusentsyymejä. Solut yksinkertaisesti heittävät ”roskansa” lysosomeihin, joissa ankara ympäristö hajottaa ne yksinkertaisemmiksi osiksi, jotka voidaan käyttää uudelleen!
Esimerkkejä soluista
Arkebakteerit
Kuten edellä mainittiin, arkebakteerit ovat hyvin vanha prokaryoottisolujen muoto. Biologit luokittelevat ne itse asiassa omaksi elämän ”alueekseen”, erillään muista bakteereista.
Keskeisiä tapoja, joilla arkebakteerit eroavat muista bakteereista, ovat muun muassa:
- Niiden solukalvot, jotka koostuvat erityyppisestä lipidistä, jota ei esiinny bakteerien eikä eukaryoottisten solukalvoissa.
- Niiden DNA:n replikaatioentsyymit, jotka muistuttavat enemmän eukaryoottien kuin bakteerien entsyymejä, mikä viittaa siihen, että bakteerit ja arkebakteerit ovat vain kaukaisessa sukulaisuussuhteessa, ja arkebakteerit saattavat itse asiassa olla läheisempää sukua meille kuin nykyaikaisille bakteereille.
- Joillakin arkebakteereilla on kyky tuottaa metaania, mikä on aineenvaihduntaprosessi, jota ei esiinny missään bakteereissa tai eukaryooteissa.
Arhabakteerien ainutlaatuisten kemiallisten ominaisuuksien ansiosta ne voivat elää äärimmäisissä ympäristöissä, kuten ylikuumennetussa vedessä, äärimmäisen suolaisessa vedessä ja joissakin ympäristöissä, jotka ovat myrkyllisiä kaikille muille eliöille.
Tutkijat innostuivat viime vuosina kovasti löydettäessä Lokiarchaeota – arkebakteerityyppi, jolla on eukaryoottien kanssa yhteisiä geenejä, joita ei ole koskaan aiemmin löydetty prokaryoottisoluista!
Nyt uskotaan, että Lokiarchaeota saattaa olla lähin elävä sukulaisemme prokaryoottimaailmassa.
Bakteerit
Tutustut todennäköisesti bakteerityyppiin, joka voi sairastuttaa sinut. Yleiset taudinaiheuttajat, kuten Streptococcus ja Staphylococcus, ovatkin prokaryoottisia bakteerisoluja.
Mutta on olemassa myös monenlaisia hyödyllisiä bakteereja – muun muassa sellaisia, jotka hajottavat kuollutta jätettä muuttaakseen käyttökelvottomat materiaalit hedelmälliseksi maaperäksi, ja bakteereja, jotka elävät omassa ruuansulatuskanavassamme ja auttavat meitä sulattamaan ruokaa.
Bakteerisoluja tavataan yleisesti elelemässä symbioottisissa suhteissa meidän kaltaistemme monisoluisten organismien kanssa, maaperässä ja kaikkialla muualla, missä niiden eläminen ei ole liian äärimmäistä!
Kasvisolut
Kasvisolut ovat eukaryoottisia soluja, jotka ovat osa monisoluisia, fotosynteettisiä organismeja.
Kasvisoluissa on kloroplastien organelleja, jotka sisältävät pigmenttejä, jotka absorboivat valon fotoneja ja keräävät näiden fotonien energiaa.
Kloroplasteilla on merkittävä kyky muuttaa valoenergia solujen polttoaineeksi, ja ne käyttävät tätä energiaa ottaakseen ilmasta hiilidioksidia ja muuttaakseen sen sokereiksi, joita elävät olennot voivat käyttää polttoaineena tai rakennusmateriaalina.
Kasvisoluissa on kloroplastien lisäksi tyypillisesti myös jäykistä sokereista koostuva soluseinämä, jonka avulla kasvikudokset pystyvät säilyttämään pystysuorat rakenteensa, kuten lehdet, varret ja puunrungot.
Kasvisoluissa on myös tavanomaisia eukaryoottisia organelleja, mukaan lukien tuma, endoplasminen retikulum ja Golgin laite.
eläinsolut
Tässä harjoituksessa tarkastellaan erästä eläinsolutyyppiä, joka on sinulle hyvin tärkeä: omaa maksasoluasi.
Kuten kaikissa eläinsoluissa, myös siinä on mitokondrioita, jotka suorittavat soluhengitystä ja muuttavat happea ja sokeria suuriksi määriksi ATP:tä, joka antaa virtaa solujen toiminnoille.
Seessä on myös samoja organelleja kuin useimmissa eläinsoluissa: tuma, endoplasminen retikulum, Golgin apparaatti jne.
Mutta osana monisoluista organismia maksasolusi ilmentää myös ainutlaatuisia geenejä, jotka antavat sille ainutlaatuisia piirteitä ja kykyjä.
Maksasolut sisältävät erityisesti entsyymejä, jotka hajottavat monia myrkkyjä, minkä ansiosta maksa pystyy puhdistamaan veresi ja hajottamaan vaaralliset ruumiinjätteet.
Maksasolu on erinomainen esimerkki siitä, miten monisoluiset organismit voivat olla tehokkaampia, kun eri solutyypit toimivat yhdessä.
Kehosi ei voisi selviytyä ilman maksasoluja, jotka hajottavat tiettyjä myrkkyjä ja jätteitä, mutta maksasolu itsessään ei voisi selviytyä ilman hermo- ja lihassoluja, jotka auttavat sinua löytämään ruokaa, ja ilman ruuansulatuskanavaa, joka pilkkoo tuon ruuan helposti sulaviksi sokereiksi.
Ja kaikissa näissä solutyypeissä on informaatiota, jonka avulla voidaan valmistaa kaikki muut solutyypit! Kyse on yksinkertaisesti siitä, mitkä geenit kytketään ”päälle” tai ”pois” kehityksen aikana.
- Epigenetiikka – Prosessi, jossa geenit kytketään ”päälle” tai ”pois” lisäämällä tai poistamalla kemiallisia ryhmiä kromosomin osista.
- Eukaryootit – Monimutkaisia soluja, joissa on useita kromosomeja ja sisäisiä organelleja, kuten mitokondriot, kloroplastit ja tumat.
- Prokaryootit – Yksisoluisia organismeja, joilla on yksinkertainen rakenne, tyypillisesti yksi kromosomi ja ei sisäisiä organelleja.
Visailu
1. Mikä seuraavista EI ole olennainen toiminto, joka kaikkien elävien olentojen on suoritettava?
A. Elävän olennon täytyy lisääntyä.
B. Elävän olennon on pystyttävä säilyttämään sisäinen ympäristönsä ulkoisista muutoksista riippumatta.
C. Elävän olennon on reagoitava ympäristönsä muutoksiin.
D. Ei mitään edellä mainituista.
2. Mikä seuraavista EI ole prokaryoottisolutyyppi?
A. Arkebakteerit
B. Stafylokokkibakteerit
C. Streptokokkibakteerit
D. Maksasolu
3. Mikä seuraavista EI ole eukaryoottinen soluelin?
A. Plasmidi
B. Ydin
C. Mitokondriot
D. Kloroplast