Любой-клетке, как и всякой живой системе, присуща способность сохранять свой состав и все свои свойства на относительно постоянном уровне. Так, например, содержание АТФ в клетках составляет около 0,04%, и эта величина стойко удерживается, несмотря на то что АТФ постоянно расходуется в клетке в процессе жизнедеятельности. Другой пример: реакция клеточного содержимого слабощелочная, и эта реакция устойчиво удерживается, несмотря на то что в процессе обмена веществ постоянно образуются кислоты и основания. Стойко удерживается на определенном уровне не только химический состав клетки, но и другие ее свойства. Высокую устойчивость живых систем нельзя объяснить свойствами материалов, из которых они построены, так как белки, жиры и углеводы обладают незначительной устойчивостью. Устойчивость живых систем активна, она обусловлена сложными процессами координации и регуляции.

Рассмотрим, например, каким образом поддерживается постоянство содержания АТФ в клетке. Как мы знаем, АТФ расходуется клеткой при осуществлении ею какой-либо деятельности. Синтез же АТФ происходит в результате процессов без кислородного и кислородного расщепления глюкозы. Очевидно, что постоянство содержания АТФ достигается благодаря точному уравновешиванию обоих процессов — расхода АТФ и ее синтеза: как только содержание АТФ в клетке снизится, тотчас же включаются процессы без кислородного и кислородного расщепления глюкозы, в ходе которых АТФ синтезируется и содержание АТФ в клетке повышается. Когда уровень АТФ достигнет нормы, синтез АТФ притормаживается.

Включение и выключение процессов, обеспечивающих поддержание нормального состава клетки, происходит в ней автоматически. Такая регуляция называется саморегуляцией или авторегуляцией.

Основой регуляции деятельности клетки являются процессы информации, т. е. процессы, в которых связь между отдельными звеньями системы осуществляется с помощью сигналов. Сигналом служит изменение, возникающее в каком-нибудь звене системы. В ответ на сигнал запускается процесс, в результате которого возникшее изменение устраняется. Когда нормальное состояние системы восстановлено — это служит новым сигналом для выключения процесса.

Понижение содержания АТФ в клетке представляет сигнал, запускающий процесс синтеза АТФ. Когда концентрация АТФ достигнет нормы — это новый сигнал, приводящий к выключению синтеза АТФ.

Каким же образом работает сигнальная система клетки, как она обеспечивает процессы авторегуляции в ней?

Прием сигналов внутри клетки производится ее ферментами. Ферменты, как и большинство белков, обладают неустойчивой структурой. Под влиянием ряда факторов, в том числе многих химических агентов, структура фермента нарушается и каталитическая активность его утрачивается. Это изменение, как правило, обратимо, т. е. после устранения действующего фактора структура фермента возвращается к норме и его каталитическая функция восстанавливается.

Механизм авторегуляции клетки основан на том, что вещество, содержание которого регулируется, способно к специфическому взаимодействию с порождающим его ферментом. В результате этого взаимодействия структура фермента деформируется и каталитическая активность его утрачивается.

Механизм авторегуляции клетки работает следующим образом. Мы уже знаем, что химические вещества, вырабатываемые в клетке, как правило, возникают в результате нескольких последовательных ферментативных реакций. Вспомните без кислородный и кислородный процессы расщепления глюкозы. Каждый из этих процессов представляет длинный ряд — не менее десятка последовательно протекающих реакций. Вполне очевидно, что для регуляции таких многочленных процессов достаточно выключения какого-либо одного звена. Достаточно выключить хотя бы одну реакцию — и остановится вся линия. Именно этим путем и осуществляется регуляция содержания АТФ в клетке. Пока клетка находится в покое, содержание АТФ в ней около 0,04%. При такой высокой концентрации АТФ она реагирует с одним из ферментов без кислородного процесса расщепления глюкозы. В результате этой реакции все молекулы данного фермента лишены активности и конвейерные линии без кислородного и кислородного процессов бездействуют. Если благодаря какой-либо деятельности клетки концентрация АТФ в ней снижается, тогда структура и функция фермента восстанавливаются и без кислородный и кислородный процессы запускаются. В результате происходит выработка АТФ, концентрация ее увеличивается. Когда она достигнет нормы (0,04%), конвейер без кислородного и кислородного процессов автоматически выключается.

По образцу авторегуляции АТФ происходит авторегуляция содержания и других веществ в клетке.

2. Раздражимость и движение клеток

Раздражимость. На любой организм постоянно действуют разнообразные факторы внешней среды, например: свет, температура, давление, звук, электрический ток, сила тяжести и др. Действие всех внешних факторов-раздражителей вызывает у организма ответные реакции, в основе которых лежит свойство раздражимости клеток. Раздражимостью называют способность организмов, а также клеток отвечать на воздействия внешней среды определенными реакциями.

Раздражимость можно наблюдать у любых клеток и организмов. У простейших, например у амеб, эвглен, инфузорий, реакция на изменение условий среды проявляется в передвижении их по отношению к раздражителю. Такие движения называются таксисами.

Если простейшие движутся по направлению к раздражителю, то такие движения их именуются положительным таксисом; движения же простейших от раздражителя носят название отрицательного таксиса. Те движения, которые возникают в ответ на действие света, получили название фототаксиса. Пример фототаксиса — движение зеленых жгутиконосцев по направлению к источнику освещения: если аквариум, в котором находятся эвглены, одинаково освещен со всех сторон, то эвглены равномерно распределяются по всей толще воды. Если же наиболее сильно осветить лишь какую-либо одну часть аквариума, то эвглены скапливаются именно в этой освещенной части, проявляя положительный фототаксис по отношению к свету.

Движения простейших, вызванные действием химических веществ, именуются хемотаксисами. Хемотаксис можно наблюдать у инфузории туфельки: если в пробирку налить воду с находящимися в ней инфузориями, то через небольшой промежуток времени они все соберутся в верхнем слое воды, богатом кислородом. Инфузориям необходим кислород для дыхания, и они по отношению к нему проявляют положительный хемотаксис. Те движения простейших, которые возникают под влиянием изменения температуры, называются термотаксисом. Термотаксис можно также легко наблюдать у инфузории туфельки. Для этого туфелек вместе с небольшим количеством среды, в которой они находятся, помещают в тонкий стеклянный капилляр, который с одной стороны охлаждается льдом, а с другой подогревается горячей водой до температуры 38—40° С. Туфельки, сначала равномерно распределявшиеся по всей длине капилляра, начинают двигаться от слишком холодных и слишком горячих его участков, проявляя к ним отрицательный термотаксис и собираясь в средней зоне с температурой 24—26° С, которая для них служит оптимальной, т. е. наилучшей для жизни. Именно к этой температуре они обнаруживают отчетливо выраженный положительный термотаксис.