Прокариоты и эукариоты: сравнительная характеристика

Клетки — фундаментальные единицы жизни, без которых невозможно существование организмов на Земле. Они делятся на эукариоты и прокариоты, существенно различающиеся по организации. Прокариоты, появившиеся первыми, не имеют ядра — их генетический материал находится в цитоплазме. Эукариоты обладают ядром и мембранными органеллами (органоидами). В статье сравним эти группы по размерам, структуре, делению, метаболизму и роли в биосфере, чтобы прояснить, чем отличаются прокариоты от эукариотов.

Прокариоты: строение и представители

Прокариоты представляют собой группу организмов с клетками, лишенными ядра и мембраносвязанных органелл. К этой древнейшей форме жизни относятся бактерии и археи — они считаются самыми ранними живыми существами, населявшими Землю (первые прокариоты появились на Земле примерно 3,5–3,4 млрд лет назад, в архейскую эру). Эти микроорганизмы играют чрезвычайно важную роль в биогеохимических процессах: фиксируют атмосферный азот, разлагают органические вещества, поддерживают биоразнообразие и обеспечивают круговорот веществ в природе. 

Примечательно, что бактерии и археи способны выживать в экстремальных условиях — от вечных ледников до горячих источников, от вершин гор до глубин океана.

Характеристика бактерий

Бактерии — это одноклеточные организмы, относящиеся к прокариотам: у них нет оформленной ядерной структуры и мембраносвязанных органоидов. Их генетический материал — кольцевая молекула ДНК — находится прямо в цитоплазме, в области, называемой нуклеоидом.

Размер бактериальных клеток невелик: обычно от 0,1 до 5 мкм. По форме бактерии делятся на несколько групп:

• кокки — шаровидные (например, стрептококки);
• бациллы — палочковидные (кишечная палочка);
• спириллы — спиралевидные (Helicobacter pylori — вызывает гастрит и язву желудка);
• вибрионы — изогнутые, в форме запятой (Vibrio cholerae — возбудитель холеры);
• спирохеты — сильно извитые (Borrelia burgdorferi — возбудитель болезни Лайма);
• редкие формы (треугольные, квадратные, звездчатые и другие).

Стенка прокариотической клетки бактерий содержит муреин — особое вещество, придающее прочность. Многие бактерии имеют жгутики для передвижения или пили — тонкие ворсинки для прикрепления к поверхностям.

Бактерии обитают повсюду: в почве, воде, воздухе, на поверхностях предметов и внутри живых организмов. Они могут быть:

• гетеротрофами — питаются готовыми органическими веществами;
• автотрофами — сами синтезируют глюкозу и другую органику (например, цианобактерии с помощью фотосинтеза).

Некоторые бактерии вызывают болезни (патогенные), другие полезны: они помогают переваривать пищу, участвуют в круговороте веществ, а также применяются человеком в пищевой промышленности и биотехнологиях.

Характеристика архей

Археи (архебактерии) внешне могут напоминать бактерии, но на молекулярном уровне сильно от них отличаются:

• клеточная стенка не содержит муреина (в отличие от бактерий), а построена из других соединений;
• мембранные липиды имеют уникальную структуру — с эфирными связями и разветвленными изопреноидными цепями. У многих архей плазматическая мембрана образует монослой (а не бислой), что помогает выдерживать экстремальные условия;
• генетический аппарат ближе к эукариотам, их РНК-полимеразы и механизмы синтеза белка напоминают эукариотические;
• метаногенез — способность производить метан — есть только у некоторых архей.

Археи живут в самых суровых местах — горячих источниках, соленых озерах, глубоководных гидротермальных жерлах, болотах, а также в почве, океане и даже в кишечнике животных.

Они играют важную роль в круговороте веществ, особенно углерода и азота.

Общее строение прокариотов

Строение клеток прокариотов характеризуется отсутствием оформленной ядерной структуры и органоидов, окруженных мембраной.

В центральной части прокариотической клетки находится нуклеоид — область, где расположена кольцевая молекула ДНК, представляющая собой хромосому. В отличие от эукариотических клеток, эта структура не отделена от остального содержимого какой-либо мембраной. У большинства прокариот имеется одна кольцевая хромосома, хотя встречаются виды с линейными хромосомами или несколькими хромосомами.

Снаружи прокариотическая клетка окружена цитоплазматической мембраной, которая регулирует обмен веществ с окружающей средой. Над мембраной — клеточная стенка: у бактерий она содержит муреин, у архей — другие соединения. У некоторых видов есть еще и слизистая капсула — она защищает от высыхания и поедания другими организмами.

Внутреннее пространство заполнено цитоплазмой, где находятся различные клеточные компоненты. Важнейшие из них — рибосомы (они меньше, чем у эукариотов): именно здесь синтезируются белки. В цитоплазме также могут наблюдаться мезосомы — складки цитоплазматической мембраны. В настоящее время считается, что мезосомы в основном являются артефактами пробоподготовки клеток прокариот для электронной микроскопии, а не постоянными функциональными структурами.

Некоторые виды прокариотов способны к спорообразованию. Споры — это устойчивые формы, способные пережить неблагоприятные условия (высокие температуры, засуху и т. д.).

Размеры прокариотических организмов обычно невелики и составляют от 0,1 до 5 мкм, хотя встречаются как более мелкие, так и значительно более крупные. Наноархеи — мельчайшие известные археи. Они не способны к автономному существованию и паразитируют на поверхности клеток более крупных архей, получая от них необходимые питательные вещества.

Эукариоты: строение и представители

Эукариоты — это обширная группа живых организмов, клетки которых содержат оформленную ядерную структуру и мембраносвязанные внутриклеточные структуры (например, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи). В отличие от прокариотов, эукариотические клетки имеют сложную структуру, что позволяет им формировать многоклеточные организмы и реализовывать сложные биологические процессы.

К эукариотам относят четыре основных царства:

• Простейшие (Protista) — одноклеточные. Примеры: амебы, инфузории, эвглены;
• Грибы (Fungi) — включают как одноклеточные формы (дрожжи), так и многоклеточные (плесневые грибы, шляпочные грибы);
• Растения (Plantae) — многоклеточные фотосинтезирующие организмы: мхи, папоротники, хвойные и цветковые растения;
• Животные (Animalia) — гетеротрофные многоклеточные организмы: от микроскопических беспозвоночных до крупных млекопитающих.

Эукариоты играют важную роль в экосистемах Земли: участвуют в круговороте веществ, обеспечивают кислород, служат пищей и формируют среду обитания для других видов. Их разнообразие и сложность организации делают возможным существование сложных форм жизни на нашей планете. Но несмотря на то что прокариоты (за редким исключением) являются микроорганизмами, они доминируют не только по численности (их количество на Земле оценивается в 5×1030 и более), но и по биомассе, распространенности, генетическому разнообразию и метаболическим возможностям. 

Общее строение эукариотов

Эукариоты отличаются от прокариотов тем, что их генетический материал надежно отделен от остальной части клетки — он находится внутри ядерной структуры, окруженной специальной оболочкой.

Эукариотическая клетка устроена сложно: в ней много «мини-органов» — органелл, и у каждой своя задача:

1. Ядро хранит основную часть ДНК. Оно защищено двойной мембраной с порами — через них проходят молекулы.
2. Цитоплазма — это желеобразная среда, заполняющая клетку, в которой располагаются все функциональные элементы.
3. Митохондрии вырабатывают энергию путем клеточного дыхания — это центральный этап энергетического обмена. У них есть своя ДНК и двойная мембрана.
4. Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — система трубочек и пузырьков, где синтезируются белки и липиды. Именно здесь начинается процесс гликозилирования: к некоторым белкам присоединяются углеводные цепочки, образуя гликопротеины.
5. Аппарат Гольджи сортирует, обрабатывает и упаковывает белки и липиды, чтобы отправить их в нужные места.
6. Лизосомы — мембранные структуры, в которых находятся ферменты для разрушения изношенных элементов клетки и продуктов ее жизнедеятельности.
7. Рибосомы отвечают за синтез белков.
8. Цитоскелет — каркас из белковых волокон. Он поддерживает форму клетки, помогает ей двигаться и делиться.

Благодаря такой структурной организации эукариоты способны осуществлять сложные биохимические процессы, что во многом определяет их эволюционное преимущество перед прокариотами.

Прокариоты и эукариоты: сравнительная таблица

Сравнительный анализ демонстрирует, что эукариотическая клетка обладает более сложной структурно-функциональной организацией, что открывает возможности для многоклеточности и специализации клеток.