Что такое ядро и какие его свойства
Ядро – главное составляющее живой клетки, которое несет наследственную информацию, закодированную набором генов. Оно занимает центральное положение в клетке. Размеры варьируются, форма обычно сферичная или овальная. В диаметре ядро в разных клетках может быть от 8 до 25мкм. Есть исключения, примеру, яйцеклетки рыб имеют ядра диаметром в 1 мм.
Особенности строения ядра
Заполнено ядро жидкостью и несколькими структурными элементами. В нем выделяют оболочку, набор хромосом, нуклеоплазму, ядрышка. Оболочка двухмембранная, между мембранами находится перенуклеарное пространство.
Внешняя мембрана сходна по строению с эндоплазматическим ретикулумом. Она связана с ЭПР, который будто ответвляется от ядерной оболочки. Снаружи на ядре находятся рибосомы.
Внутренняя мембрана прочная, так как в ее состав входит ламина. Она выполняет опорную функцию и служит местом крепления для хроматина.
Мембрана имеет поры, обеспечивающие обменные процессы с цитоплазмой. Ядерные поры состоят из транспортных белков, которые поставляют в кариоплазму вещества путем активного транспорта. Пассивно сквозь поровые отверстия могут пройти только небольшие молекулы. Также каждая пора прикрыта поросомой, которая регулирует обменные процессы в ядре.
Количество ядер в разных по специализации клетках различно. В большинстве случаев клетки одноядерные, но есть ткани, построенные из многоядерных клеток (печеночная или ткань мозга). Есть клетки лишенные ядра – это зрелые эритроциты.
У простейших выделяют два типа ядер: одни отвечают за сохранение информации, другие – за синтез белка.
Ядро может прибывать в состоянии покоя (период интерфазы) или деления. Переходя в интерфазу, имеет вид сферического образования с множеством гранул белого цвета (хроматина). Хроматин бывает двух видов: гетерохроматин и эухроматин.
Эухроматин – это активный хроматин, который сохраняет деспирализированное строение в покоящемся ядре, способен к интенсивному синтезу РНК.
Гетерохроматин – это участки хроматина, которые находятся в конденсированном состоянии. Он может при необходимости переходить в эухроматиновое состояние.
При использовании цитологического метода окрашивания ядра (по Романовскому-Гимзе) выявлено, что гетерохроматин меняет цвет, а эухроматин нет. Хроматин построен из нуклеопротеидных нитей, названных хромосомами. Хромосомы несут в себе основную генетическую информацию каждого человека. Хроматин — форма существования наследственной информации в интерфазном периоде клеточного цикла, во время деления он трансформируется в хромосомы.
Строение хромосом
Каждая хромосома построена из пары хроматид, которые находятся параллельно друг к другу и связаны только в одном месте – центромере. Центромера разделяет хромосому на два плеча. В зависимости от длины плеч выделяют три вида хромосом:
- Равноплечие;
- разноплечие,
- одноплечие.
Некоторые хромосомы имеют дополнительный участок, который крепится к основному нитевидными соединениями – это сателлит. Сателлиты помогают идентифицировать разные пары хромосом.
Метафазное ядро представляет собой пластинку, где располагаются хромосомы. Именно в эту фазу митоза изучается количество и строение хромосом. Во время метафазы сестринские хромосомы двигаются в центр и распадаются на две хроматиды.
Строение ядрышка
В ядре также находится немембранное образование — ядрышко. Ядрышки представляют собой уплотненные, округлые тельца, способные преломлять свет. Это основное место синтеза рибосомальной РНК и необходимых белков.
Число ядрышек различно в разных клетках, они могут объединяться в одно крупное образование или существовать отдельно друг от друга в виде мелких частиц. При активации синтетических процессов объем ядрышка увеличивается. Оно лишено оболочки и находится в окружении конденсированного хроматина. В ядрышке также содержатся металлы, в большей мере цинк. Таким образом, ядрышко – это динамичное, меняющееся образование, необходимое для синтеза РНК и транспорта ее в цитоплазму.
Нуклеоплазма заполняет все внутреннее пространство ядра. В нуклеоплазме находится ДНК, РНК, протеиновые молекулы, ферментативные вещества.
Функции ядра в клетке
- Принимает участие в синтезе белка, рибосомной РНК.
- Регулирует функциональную активность клетки.
- Сохранение генетической информации, точная ее репликация и передача потомству.
Роль и значение ядра
Ядро является главным хранилищем наследственной информации и определяет фенотип организма. В ядре ДНК существует в неизмененном виде благодаря репарационным ядерным ферментам, которые способны ликвидировать поломки и мутации. Во время клеточного деления ядерные механизмы обеспечивают точное и равномерное расхождение генетической информации в дочерние клетки.
Ядро́ Земли́ — центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2900 км. Средний радиус сферы — 3500 км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро толщиной около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона[1]. Температура на поверхности твёрдого ядра Земли предположительно достигает 6230±500 K (5960±500 °C)[2][3], в центре ядра плотность может составлять около 12,5 т/м³, давление до 3,7 млн атм (375 ГПа). Масса ядра — 1,932⋅1024 кг.
Известно о ядре очень мало — вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами. Образцы вещества ядра пока недоступны.
История изучения[править | править код]
Вероятно, одним из первых предположение о существовании внутри Земли области повышенной плотности высказал Генри Кавендиш, который вычислил массу и среднюю плотность Земли и установил, что она значительно больше, чем плотность, характерная для пород, выходящих на земную поверхность[4].
Существование было доказано в 1897 году немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 году американским геофизиком Б. Гутенбергом.
Основоположник геохимии В. М. Гольдшмидт в 1922 году предположил, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже.
Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке, развивали немецкий учёный А. Эйкен (1944), американский учёный Е. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (1960-е — 1970-е).
В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчётах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода.[5][6] Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и других. До недавнего времени предполагалось, что магнитное поле таких планет возникает именно в металлическом водородном ядре.
Но в 2016 году учёные из США и Великобритании, создав условия, близкие к ядру при мгновенном сжатии, создающего давление в 1,5 млн атмосфер и высоких температур в несколько тысяч градусов, смогли получить третье промежуточное состояние водорода[7], при котором он имеет свойства и металла, и газа. В этом состоянии он не пропускает видимый свет, в отличие от ИК-излучения, поэтому его назвали «тёмный водород». Причём тёмный водород, в отличие от металлического, идеально вписывается в модель строения планет-гигантов[значимость факта?], в частности объясняет, почему верхние слои газовых гигантов значительно теплее, чем должны быть, перенося энергию от ядра, а поскольку он также обладает электропроводностью, хотя и хуже, чем металлический водород, то он играет ту же роль, что и внешнее ядро на Земле.[8]
Кроме того, В. Н. Лодочников и У. Рамзай предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1,36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизированное силикатное ядро)[9].
В 2015 году стало известно, что в жидкой части ядра есть третий слой. Анализ сейсмических волн позволил группе геологов под руководством профессора Сяодуна Суна (Xiaodong Song) из университета Иллинойса (University of Illinois) сделать вывод, что ядро у Земли не двухслойное, а трёхслойное[10][11][12].
Состав ядра[править | править код]
О составе ядра существуют лишь косвенные данные, полученные различными путями. По-видимому, из доступных материалов наиболее близки по составу к земному ядру железные метеориты, которые представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут дать точное представление о веществе земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит, при других физико-химических условиях.
С другой стороны, сейсмические исследования дают точный размер ядра[13], а из данных гравиметрии известна его плотность, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 5—10 % меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты[13]. Среди вероятных кандидатов: сера, кислород, кремний, углерод, фосфор, водород[13].
Наконец, состав ядра можно оценить, исходя из геохимических и космохимических соображений. Если каким-либо образом рассчитать первичный состав Земли и вычислить, какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым можно построить оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.
| Источник | Si, wt.% | Fe, wt.% | Ni, wt.% | S, wt.% | O, wt.% | Mn, ppm | Cr, ppm | Co,ppm | P, ppm |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Allegre et al., 1995, Table 2 p 522 | 7.35 | 79.39+-2 | 4.87+-0,3 | 2.30+-0,2 | 4.10+-0,5 | 5820 | 7790 | 2530 | 3690 |
| Mc Donough, 2003, Table 4 p 556 | 6.0 | 85.5 | 5.20 | 1.90 | ~0 | 300 | 9000 | 2500 | 2000 |
В апреле 2015 года ученые из Оксфордского университета предложили теорию, согласно которой содержание урана в ядре Земли на несколько миллиардных долей выше, чем предполагалось ранее[14]. Подобное заявление привело к распространению в СМИ громких заметок о якобы открытии у Земли уранового ядра[15].
Магнитное поле Земли[править | править код]
Магнитное поле Земли создается внутренними структурами планеты. Существует заблуждение, будто бы оно создается ферромагнитными материалами внутреннего ядра (наподобие постоянного магнита)[16], хотя ферромагнитные свойства железа пропадают при температурах выше точки Кюри.
Общепринятая гипотеза, объясняющая образование магнитного поля Земли, называется геодинамо. Согласно ей, магнитное поле образуется за счет движения электропроводящей жидкости во внешнем ядре.[17][18]
См. также[править | править код]
- Внешнее ядро
- Внутреннее ядро
- Барисфера
- Железная катастрофа[en]
Примечания[править | править код]
- ↑ Д. Ю. Пущаровский, Ю. М. Пущаровский (МГУ), Состав и строение мантии Земли // Соросовский образовательный журнал № 11 1998
- ↑ S. Anzellini, A. Dewaele, M. Mezouar, P. Loubeyre, G. Morard. Melting of Iron at Earth’s Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction (англ.) // Science : journal. — 2013. — 26 April (vol. 340, no. 6131). — P. 464—466. — doi:10.1126/science.1233514.
- ↑ The Earth’s Centre is 1000 Degrees Hotter than Previously Thought // European Synchrotron Radiation Facility, 25-04-2013;
краткий перевод — Физики уточнили температуру земного ядра // Lenta.ru, 26 апреля 2013: «Температура твердого железного ядра Земли, как установили ученые, составляет около 6 тысяч градусов по Цельсию. Это на тысячу градусов выше по сравнению с более ранними оценками.» - ↑ Кавендиш Генри (Henry Cavendish). www.tsput.ru. Дата обращения 31 июля 2018.
- ↑ Кусков О. Л., Хитаров Н. И. (1982) «Термодинамика и геохимия ядра и мантии Земли. М.: Наука, 1982» стр 127: «В середине XX в. появляются гипотезы о нежелезном составе ядра. У. Кун и А. Ритман [513], основываясь на гипотезе идентичности составов Солнца и Земли и на расчётах фазового перехода в водороде [666], выдвинули предположение о ядре, состоящем из металлического водорода.»
- ↑ Kuhn W, Rittmann A. Über den Zustand des Erdinnern und seine Enstehung aus einem homogenen Urzustand — Geologische Rundschau, 1941, vol 32., issue 3, p. 215—256. doi:10.1007/BF01799758, ISSN 0016-7835
- ↑ R. Stewart McWilliams, D. Allen Dalton, Mohammad F. Mahmood, Alexander F. Goncharov. Optical Properties of Fluid Hydrogen at the Transition to a Conducting State // Physical Review Letters. — 2016-06-22. — Т. 116, вып. 25. — С. 255501. — doi:10.1103/PhysRevLett.116.255501.
- ↑ Иван Ортега, Тёмный водород объяснил загадки гигантских планет L!FE #НАУКА 28.06.2016 по Optical Properties of Fluid Hydrogen at the Transition to a Conducting State 2016. doi:10.1103/PhysRevLett.116.255501
- ↑ Е.Н.Люстих, доктор физ.-мат. наук АН СССР. Загадки глубоких недр // https://neotec.ginras.ru/. — 1967.
- ↑ Ядро Земли оказалось трёхслойной «матрёшкой», выяснили геологи. РИА Новости — Наука (9 февраля 2015).
- ↑ Новости науки. Внутреннее ядро Земли структурировано. Оно содержит в себе ещё одно ядро, ВСЕГЕИ (17 февраля 2015). Дата обращения 14 мая 2015.
- ↑ Tao Wang, Xiaodong Song, Han H. Xia. «Equatorial anisotropy in the inner part of Earth’s inner core from autocorrelation of earthquake coda». Nature Geoscience 2015 doi:10.1038/ngeo2354 (09 February 2015)
- ↑ 1 2 3 Formation of Earths Core, 2007
- ↑ Carlson R. W. (2015) Planetary science: A new recipe for Earth formation. doi:10.1038/520299a
- ↑ ученые из Оксфордского университета предложили теорию, согласно которой ядро Земли состоит из радиоактивного урана.
- ↑ https://www.earthlearningidea.com/PDF/147_Core.pdf page 2, «widely-held misconception that one piece of evidence for the core being made of nickel-iron is that they are magnetic materials which cause the Earth’s magnetic field.»
- ↑ Magnetic Field of the Earth
- ↑ The geodynamo Архивная копия от 25 ноября 2013 на Wayback Machine // EPS 122: lecture 7
Литература[править | править код]
- Левин Б. В., Павлов В. П. Ещё раз о смещении внутреннего ядра Земли (комментарий к статье В. А. Антонова, Б. П. Кондратьева «К вопросу о величине смещения внутреннего ядра Земли») // Физика Земли. 2006. № 1. С. 92-93.
- Рык В., Малишевская А. Петрографический словарь. М: Недра, 1989.
- Allegre C. J., Poirier J. P., Humler E., Hofmann A. W. (1995). The Chemical-Composition of the Earth. Earth and Planetary Science Letters 134(3-4): 515—526. doi:10.1016/0012-821X(95)00123-T.
- Treatise on Geochemistry, 2003, Volume 2 The Mantle and Core:
- Partition Coefficients at High Pressure and Temperature K. Righter and M. J. Drake
- Experimental Constraints on Core Composition J. Li
- Compositional Model for the Earth’s Core W. F. Mc Donough., 2003
- Geochemical Evidence for Excess Iron in the Mantle Beneath Hawaii Munir Humayun, Liping Qin, Marc D. Norman
- Edward J. Tarbuck, Frederick K. Lutgens. Allgemeine Geologie (неопр.). — 2009. — ISBN 978-3-8273-7335-9..
- Heinrich Bahlburg, Christoph Breitkreuz. Grundlagen der Geologie (неопр.). — Elsevier, 2004. — ISBN 3-8274-1394-X..
- Martin Okrusch, Siegfried Matthes. Mineralogie: Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde (нем.). — Springer, 2009. — ISBN 978-3-540-78200-1.
Ссылки[править | править код]
- В. Е. Хаин, Современная геодинамика: достижения и проблемы
- Anders Scherstén, Re-Os, Pt-Os and Hf-W isotopes and tracing the core in mantle melts
- Ученые зафиксировали перемещение ядра Земли
В каждой живой клетке протекает множество биохимических реакций и процессов. Чтобы контролировать их, а также регулировать многие жизненно важные факторы, необходима специальная структура. Что такое ядро в биологии? Благодаря чему оно эффективно справляется с поставленной задачей?
Что такое ядро в биологии. Определение
Ядро – необходимая структура любой клетки организма. Что такое ядро? В биологии это важнейший компонент каждого организма. Ядро можно обнаружить и у одноклеточных простейших, и у высокоорганизованных представителей эукариотического мира. Главная функция этой структуры – хранение и передача генетической информации, которая здесь же и содержится.
После оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом происходит слияние двух гаплоидных ядер. После слияния половых клеток образуется зигота, ядро которой уже несет диплоидный набор хромосом. Это значит, что кариотип (генетическая информация ядра) уже содержит копии генов и матери, и отца.
Диплоидное ядро присутствует практически во всех эукариотических клетках. Гаплоидным ядром обладают не только гаметы, но и многие представители простейших организмов. Сюда относятся некоторые одноклеточные паразиты, водоросли, свободноживущие формы одноклеточных. Стоит отметить, что большинство из перечисленных представителей имеют гаплоидное ядро лишь на определенной стадии жизненного цикла.
Состав ядра
Какова характеристика ядра? Биология тщательно изучает состав ядерного аппарата, т. к. это может дать толчок в развитии генетики, селекции и молекулярной биологии.
Ядро – это двумембранная структура. Мембраны являются продолжением эндоплазматической сети, что необходимо для транспорта образованных веществ из клетки. Содержимое ядра называется нуклеоплазма.
Хроматин – основное вещество нуклеоплазмы. Состав хроматина разнообразен: здесь находятся в первую очередь нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), а также белки и многие ионы металлов. ДНК в нуклеоплазме расположена упорядочено в виде хромосом. Именно хромосомы при делении удваиваются, после чего каждый их наборов переходит в дочерние клетки.
РНК в нуклеоплазме чаще всего встречается двух типов: мРНК и рРНК. Матричная РНК образуется в процессе транскрипции – считывания информации с ДНК. Молекула такой рибонуклеиновой кислоты позже покидает ядро и в дальнейшем служит матрицей для образования новых белков.
Рибосомальная РНК образуется в специальных структурах под названием ядрышки. Ядрышко построено из концевых участков хромосом, образованных вторичными перетяжками. Эта структура может быть видна в световой микроскоп в виде уплотненного пятнышка на ядре. Рибосомальные РНК, которые синтезируются здесь, также поступают в цитоплазму и далее вместе с белками образуют рибосомы.
Непосредственное влияние на функции оказывает состав ядра. Биология как наука изучает свойства хроматина для лучшего пониманию процессов транскрипции и деления клетки.
Функции ядра. Биология процессов в ядре
Первой и самой важной функцией ядра является хранение и передача наследственной информации. Ядро – уникальная структура клетки, т. к. в нем содержится большая часть генов человека. Кариотип может быть гаплоидный, диплоидный, триплоидный и так далее. Плоидность яда зависит от функции самой клетки: гаметы гаплоидные, а соматические клетки диплоидные. Клетки эндосперма покрытосеменных растений триплоидные, и, наконец, многие сорта посевных культур имеют полиплоидный набор хромосом.
Передача наследственной информации в цитоплазму из ядра происходит при образовании мРНК. В процессе транскрипции нужные гены кариотипа считываются, и в итоге синтезируются молекулы матричной или информационной РНК.
Также наследственность проявляется при делении клетки митозом, мейозом или амитозом. В каждом из случаев ядро выполняет свою определенную функцию. Например, в профазе митоза разрушается оболочка ядра и сильно компактизированные хромосомы попадают в цитоплазму. Однако в мейозе перед разрушением мембраны в ядре происходит кроссинговер хромосом. А в амитозе ядро вовсе разрушается и вносит небольшой вклад в процессе деления.
Кроме того, ядро косвенно участвует в транспорте веществ из клетки из-за непосредственной связи мембраны с ЭПС. Вот что такое ядро в биологии.
Форма ядер
Ядро, его строение и функции могут зависеть от формы мембраны. Ядерный аппарат может быть округлым, вытянутым, в виде лопастей и т. д. Часто форма ядра специфична для отдельных тканей и клеток. Одноклеточные организмы различаются по типу питания, жизненного цикла, а вместе с тем различаются и формы мембраны ядер.
Разнообразие в форме и размере ядра можно проследить на примере лейкоцитов.
- Ядро нейтрофилов может быть сегментированным и не сегментированным. В первом случае говорят о подковообразном ядре, и такая форма характерна для молодых клеток. Сегментированное ядро – это результат образования нескольких перегородок в мембране, в результате чего образуется несколько частей, связанных между собой.
- У эозинофилов ядро имеет характерную гантелевидную форму. В этом случае ядерный аппарат состоит из двух сегментов, связанных перегородкой.
- Почти весь объем лимфоцитов занят огромным ядром. Лишь небольшая часть цитоплазмы остается по периферии клетки.
- В железистых клетках насекомых ядро может иметь разветвленное строение.
Количество ядер в одной клетке может быть разным
Не всегда в клетке организма присутствует только одно ядро. Порой необходимо присутствие двух или более ядерных аппаратов для осуществления нескольких функций одновременно. И наоборот, некоторые клетки могут вовсе обходиться без ядра. Вот некоторые примеры необычных клеток, в которых ядер больше одного или оно вообще отсутствует.
1. Эритроциты и тромбоциты. Эти форменные элементы крови транспортируют гемоглобин и фибриноген соответственно. Чтобы одна клетка смогла вместить максимальное количество вещества, она утратила свое ядро. Характерна такая особенность не для всех представителей животного мира: у лягушек в крови находятся огромные по размерам эритроциты с ярко выраженным ядром. Это показывает примитивность данного класса в сравнении с более развитыми таксонами.
2. Гепатоциты печени. Эти клетки содержат в себе два ядра. Одно из них регулирует очистку крови от токсинов, а другое отвечает за образование гемма, который в последующем войдет в состав гемоглобина крови.
3. Миоциты поперечно-полосатой скелетной ткани. Мышечные клетки многоядерные. Это связано с тем, что в них активно проходит синтез и распад АТФ, а также сборка белков.
Особенности ядерного аппарата у простейших
Для примера рассмотрим два вида простейших: инфузории и амебы.
1. Инфузория-туфелька. Этот представитель одноклеточных организмов имеет два ядра: вегетативное и генеративное. Т. к. они отличаются как по функциям, так и по размерам, такая особенность получила название ядерного дуализма.
Вегетативное ядро отвечает за повседневную жизнедеятельность клетки. Оно регулирует процессы ее метаболизма. Генеративное ядро участвует в клеточном делении и в конъюгации – половом процессе, при котором происходит обмен генетической информацией с особями того же вида.
2. Амебы. Яркие представители — дизентерийная и кишечная амебы. Первая относится к агрессивным паразитам человека, а вторая – обычный симбионт, который живет в кишечнике и не причиняет никакого вреда. Т. к. дизентерийная амеба паразитирует тоже в кишечнике, важно отличать эти два вида между собой. Для этого используют особенность ядерного аппарата: у дизентерийной амебы может быть до 4 ядер, а у кишечной амебы от 0 до 8.
Заболевания
Многие генетические заболевания связаны с нарушениями в наборе хромосом. Вот список наиболее известных отклонений в генетическом аппарате ядра:
- синдром Дауна;
- сиддром Патау;
- синдром Эдвардса;
- синдром Клайнфелтера;
- синдром Шерешевского-Тернера.
Список можно продолжать, и каждая из болезней отличается порядковым номером пары хромосом. Также подобные заболевания часто затрагивают половые X и Y хромосомы.
Заключение
Ядро играет важную роль в процессе жизнедеятельности клетки. Оно регулирует биохимические процессы, является хранилищем наследственной информации. Транспорт веществ из клетки, синтез белков также связаны с функционированием этой центральной структуры клетки. Вот что такое ядро в биологии.