سلول و سازمان‌بندی آن — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

سلول و سازمان‌بندی آن (علوم تیزهوشان هفتم)

همهٔ جانداران، از باکتری میکروسکوپی تا نهنگ، از سلول ساخته شده‌اند. اگر سلول را بشناسی، می‌فهمی بدن جانداران چگونه کار می‌کند.

شباهت‌ها و تنوع اندازه

دو موجود زنده را نمی‌توان یافت که هیچ شباهتی نداشته باشند. حتی نهنگ آبی و باکتری، با همهٔ تفاوت در اندازه، تعداد سلول و داشتن هسته، هر دو از سلول ساخته شده‌اند، غشای سلولی و DNA دارند، انرژی مصرف می‌کنند، رشد و تولیدمثل می‌کنند، به محیط پاسخ می‌دهند و آب لازم دارند. ویژگی‌های مشترک جانداران: سلولی بودن، سوخت‌وساز، رشد و نمو، تولیدمثل، پاسخ به محیط، حفظ ثبات درونی (هم‌ایستایی)، وراثت و سازش با محیط و تکامل.

اندازهٔ جانداران بسیار متفاوت است: $1\,\text{mm}=1000\,\mu\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $1\,\mu\text{m}=10^{-6}\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. باکتری مایکوپلاسما با طول حدود $0.2\,\mu\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از کوچک‌ترین سلول‌هاست و نهنگ آبی با حدود $30\,\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بزرگ‌ترین جانور؛ نسبت $\frac{30}{2\times10^{-7}}=1.5\times10^{8}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، یعنی ۱۵۰ میلیون برابر. طول سلول‌ها: مخمر $6\,\mu\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، فیبروبلاست و سلول عصبی از $20\,\mu\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (عصبی تا $10\,\text{cm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) و سلول گیاهی $50\,\mu\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. بزرگ‌ترین طول نسبت به کوچک‌ترین $\frac{10^5}{0.2}=5\times10^5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر است.

نظریهٔ سلولی و میکروسکوپ

نظریهٔ سلولی: همهٔ جانداران از یک یا چند سلول ساخته شده‌اند؛ سلول کوچک‌ترین واحد ساختار و عمل است؛ و هر سلول از تقسیم سلول دیگری پدید می‌آید. روبرت هوک نخستین بار سلول را در برش چوب‌پنبه دید. بزرگ‌نمایی میکروسکوپ نوری $M=M_{\text{eye}}\times M_{\text{obj}}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است؛ با چشمی $10$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و شیئی $40$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بزرگ‌نمایی $400$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و سلولی که در تصویر $2\,\text{mm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دیده می‌شود، اندازهٔ واقعی‌اش $\frac{2}{400}=0.005\,\text{mm}=5\,\mu\text{m}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

پروکاریوت و یوکاریوت

پروکاریوت (باکتری) هسته ندارد؛ مادهٔ وراثتی آزاد در سیتوپلاسم است. اندامک غشادار هم ندارد، کوچک و همیشه تک‌سلولی است. یوکاریوت (گیاهان، جانوران، قارچ‌ها و آغازیان) هستهٔ حقیقی درون غشای هسته و اندامک‌های غشادار مثل میتوکندری و کلروپلاست دارد و تک‌سلولی یا پرسلولی است.

اجزای سلول

همهٔ سلول‌ها غشا (مرز سلول و تعیین‌کنندهٔ ورود و خروج مواد با نفوذپذیری انتخابی)، سیتوپلاسم، DNA و ریبوزوم (ساخت پروتئین) دارند. اندامک‌های یوکاریوت: هسته (نگهداری DNA و کنترل کارهای سلول)، میتوکندری (تبدیل گلوکز به انرژی قابل استفاده)، کلروپلاست (فتوسنتز؛ فقط گیاه و برخی آغازیان)، واکوئل (ذخیرهٔ آب و مواد)، شبکهٔ آندوپلاسمی و گلژی (ساخت، بسته‌بندی و انتقال) و دیواره (استحکام؛ سلولز در گیاه). سلول گیاهی دیواره، کلروپلاست و یک واکوئل بزرگ مرکزی دارد و شکلش ثابت و چندوجهی است؛ سلول جانوری دیواره و کلروپلاست ندارد، واکوئلش کوچک و چندتاست و شکلش گرد یا نامنظم است. هر دو هسته و میتوکندری دارند.

هسته فرمانده است: در جلبک تک‌سلولی استابولاریا، پس از برش کلاهک، سلول با داشتن هسته دوباره کلاهک می‌سازد. اگر هسته خارج شود، فقط یک بار با پیام‌ها و مواد باقی‌مانده می‌تواند کلاهک بسازد و بار دوم نمی‌تواند، چون دستور تازه ندارد. اگر هستهٔ گونهٔ دیگر کاشته شود، کلاهک شبیه گونهٔ صاحب هسته می‌شود، چون صفات را DNA هسته تعیین می‌کند. میتوکندری در حضور اکسیژن گلوکز را می‌سوزاند: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6+6\text{O}_2\rightarrow6\text{CO}_2+6\text{H}_2\text{O}+\text{energy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. غشای درونی آن چین‌خورده (کریستا) است و سطح را زیاد می‌کند؛ سلول پرانرژی مثل ماهیچهٔ قلب میتوکندری بیشتری دارد. غشاهای درونی یوکاریوت تقسیم کار، حفاظت از مواد خطرناک مثل آنزیم‌های لیزوزوم، افزایش سطح و تنظیم دقیق‌تر را ممکن می‌کنند.

سازمان‌بندی

در جانداران پرسلولی: سلول ← بافت ← اندام ← دستگاه ← فرد؛ مثلاً سلول ماهیچه‌ای ← بافت ماهیچه‌ای ← قلب ← دستگاه گردش خون ← انسان. اتم ← مولکول کوچک ← مولکول زیستی ← اندامک ← سلول: جاندار هم از سلول و هم از اتم و مولکول ساخته شده است و این دو جمله با هم سازگارند، فقط دو سطح‌اند. سنگ سلول ندارد و فقط اتم و مولکول دارد.

محلول، غلظت و انتشار

محلول از مادهٔ حل‌شده و حلال ساخته می‌شود و با تبخیر حلال، مادهٔ حل‌شده بازمی‌گردد. در محلول آبی حلال آب است. غلظت مقدار مادهٔ حل‌شده در مقدار مشخصی محلول است؛ درصد جرمی $P=\frac{m_{\text{solute}}}{m_{\text{solution}}}\times100$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. اگر $10\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نمک در $190\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آب حل شود، $\frac{10}{200}\times100=5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد است. برای $250\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی محلول ۴ درصد، $10\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نمک و $240\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آب لازم است. رقیق کردن: $C_1V_1=C_2V_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ $50\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی محلول ۱۰ درصد با رسیدن به $100\,\text{mL}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ۵ درصد می‌شود.

انتشار حرکت مولکول‌های مادهٔ حل‌شده از جای پرتراکم به کم‌تراکم است تا غلظت یکنواخت شود؛ انرژی نمی‌خواهد و از جنبش تصادفی ذره‌ها می‌آید. زمان انتشار با مربع فاصله زیاد می‌شود ($t\propto x^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی): اگر فاصله ۱۰۰ برابر شود، زمان ۱۰۰۰۰ برابر می‌شود، پس سلول بزرگ نمی‌تواند فقط با انتشار مواد را به همه جا برساند.

اسمز

اسمز انتشار آب از غشای نیمه‌تراوا است. هرچه غلظت مادهٔ حل‌شده بیشتر باشد، غلظت آب کمتر است؛ بنابراین آب از محلول رقیق (آب زیاد) به محلول غلیظ (آب کم) می‌رود. در آب خالص یا محلول رقیق (هیپوتونیک) آب وارد سلول می‌شود: سلول جانوری متورم می‌شود و می‌ترکد، اما سلول گیاهی سفت می‌شود و دیواره مانع ترکیدن است. در محلول هم‌غلظت (ایزوتونیک، مثل سرم ۰٫۹٪) تغییری نیست. در محلول غلیظ (هیپرتونیک) آب خارج می‌شود: سلول جانوری چروک و سلول گیاهی دچار پلاسمولیز می‌شود. به همین دلیل گلبول قرمز در آب مقطر می‌ترکد، در سرم ۰٫۹٪ تغییر نمی‌کند و در نمک ۵٪ چروک می‌شود، و به بیمار سرم نمکی تزریق می‌کنند. مربا و ترشی آب را از باکتری می‌گیرند و فاسد نمی‌شوند.

نسبت سطح به حجم

برای مکعب به ضلع $a$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی: $S=6a^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $V=a^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\frac{S}{V}=\frac{6}{a}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. مکعب $2\,\text{cm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سطح $24\,\text{cm}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، حجم $8\,\text{cm}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و نسبت $3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد؛ اگر به هشت مکعب $1\,\text{cm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تقسیم شود، حجم همان $8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ولی سطح $48$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و نسبت $6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌شود. با بزرگ شدن، نسبت سطح به حجم کم می‌شود: $a=1,2,4,8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نسبت $6,3,1.5,0.75$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد. مواد از سطح (غشا) وارد می‌شوند ولی نیاز به مواد به حجم مربوط است؛ حجم با توان ۳ و سطح با توان ۲ زیاد می‌شود، پس سلول بزرگ نمی‌تواند غذا بگیرد و فضولات را دفع کند. سلول فیل و موش تقریباً هم‌اندازه‌اند و فیل بزرگ‌تر است، چون تعداد سلول‌هایش بیشتر است، نه اندازهٔ سلولش. جاندار برای افزایش سطح بدون افزایش حجم چین می‌خورد: پرزهای روده، حباب‌های ششی، تارهای کشنده ریشه و چین‌های میتوکندری.

آزمایش چغندر: دما و غشا

قطعه‌های چغندر لبویی را در آب مقطر در دماهای $0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $20$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $40$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $60$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $80$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درجهٔ سلسیوس می‌گذاریم. با افزایش دما رنگ خارج‌شده بیشتر می‌شود و بعد از حدود $50$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تا $60$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درجه جهش بزرگی رخ می‌دهد. رنگدانهٔ قرمز در واکوئل مرکزی است و غشا مانع خروج آن است. گرمای زیاد پروتئین‌ها و چربی‌های غشا را تخریب می‌کند، نفوذپذیری انتخابی از بین می‌رود و رنگدانه نشت می‌کند؛ ابتدا غشای واکوئل و سپس غشای سلول آسیب می‌بیند و سلول می‌میرد. متغیر مستقل دما، وابسته شدت رنگ و کنترل اندازه و جرم قطعه، مقدار آب و زمان است.

مثال‌های تمرینی

• با چشمی $10\times$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و شیئی $100\times$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بزرگ‌نمایی کل $1000$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.
• اگر $50\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی شکر در $450\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آب حل شود، جرم محلول $500\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و غلظت $\frac{50}{500}\times100=10$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد است.
• مکعب $3\,\text{cm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی: $S=54\,\text{cm}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $V=27\,\text{cm}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\frac{S}{V}=2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. اگر ضلع ۱۰ برابر شود، نسبت سطح به حجم یک‌دهم می‌شود، چون $S/V\propto1/a$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• برای $0.5\,\text{mol}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی گلوکز در تنفس سلولی، $3\,\text{mol}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اکسیژن مصرف و $3\,\text{mol}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کربن دی‌اکسید تولید می‌شود.
• لولهٔ ساده به طول $10\,\text{cm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و قطر $2\,\text{cm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سطح جانبی $\pi dL\approx62.8\,\text{cm}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد؛ اگر پرزها سطح را ۱۰ برابر کنند، به $628\,\text{cm}^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌رسد، بدون افزایش حجم.
• سبزی را در آب نمک غلیظ می‌گذارند تا آب را از باکتری‌ها بگیرد و رشدشان را متوقف کند.
• پختن چغندر آب را قرمز می‌کند، چون گرما غشا را تخریب می‌کند و رنگدانه از واکوئل نشت می‌کند.

نکته‌های مفهومی مهم

هر سلول از تقسیم سلول دیگر پدید می‌آید و این‌طور نیست که از ماده بی‌جان ساخته شود. غشای سلول نفوذپذیری انتخابی دارد و فقط برخی مواد را عبور می‌دهد؛ دیواره سلول گیاهی از آن جداست و استحکام می‌دهد. میتوکندری انرژی نمی‌سازد، بلکه انرژی شیمیایی غذا را به شکل قابل استفاده تبدیل می‌کند، چون انرژی نه ساخته می‌شود و نه از بین می‌رود. در اسمز مثل انتشار از غلظت مادهٔ حل‌شده می‌پرسیم، اما جهت حرکت آب را از غلظت آب می‌خوانیم؛ پس با غلیظ‌تر شدن محلول، غلظت آب کمتر می‌شود. در طراحی هر آزمایش زیستی فقط یک متغیر مستقل عوض می‌شود، متغیر وابسته اندازه گرفته می‌شود و بقیه ثابت می‌ماند و آزمایش چند بار تکرار می‌شود. در جانداران پرسلولی هر سطح سازمان‌بندی کار تازه‌ای دارد که در سطح پایین‌تر دیده نمی‌شود.

غشاهای درونی یوکاریوت مثل اتاق‌های جدا در کارخانه‌اند: واکنش‌هایی که شرایط متفاوت می‌خواهند با هم تداخل نمی‌کنند و مواد با کیسه‌های غشادار جابه‌جا می‌شوند.

اشتباه‌های رایج