Рух в живій природі

Рух – це одна з фундаментальних властивостей живого. У повсякденному житті ми стикаємося в основному з рухом, який здійснюється завдяки роботі м’язів, це і:

  • біг коня;
  • політ метелика;
  • повзання дощового черв’яка;
  • плавання карася.

В основі цих зовні настільки різних форм руху лежить активність м’язових волокон. Але не тільки скорочення м’язів забезпечує рух. Одноклітинні організми, наприклад амеби, жгутіконосці, інфузорії, теж мають здатність до переміщення в просторі.

Переміщення різного роду здійснюються і всередині самих клітин: рух вакуолей, транспортних бульбашок, що містять вироблений кліткою секрет, розбіжність хромосом  клітини, що ділиться. Чи є щось спільне між усіма цими настільки різними на перший погляд процесами?

Причини руху живого

З наведених вище прикладів випливає, що рух живих організмів є механічним рухом, а причиною будь-якого механічного руху є сили. Зокрема, причиною руху планет є гравітаційна сила Сонця. Причиною руху двигунів, побудованих людиною, є:

  • або електромагнітні сили (електродвигуни);
  • або сила тиску гарячого газу на поршень (теплові двигуни).

Що ж є причиною руху живих організмів?

Як вам уже відомо, субстратом життя служать полімерні молекули білків і нуклеїнових кислот. Всі процеси в живому організмі відбуваються внаслідок хімічних реакцій між цими та іншими молекулами, що становлять живий організм або надходять в організм. Яким же чином хімічні перетворення здатні викликати механічний рух?

Серед різних білків, що складають організм, важливу роль відіграють молекули, що отримали назву білку – молекулярні мотори Характерною властивістю таких молекул є здатність змінювати свою форму, тобто взаєморозташування окремих складових молекули.

Прикладом такого білка є молекула міозину, яка при спостереженні в електронний мікроскоп видна як коротка товста нитка з потовщенням-голівкою на одному з кінців. Ця голівка здатна повертатися щодо нитки.

Якщо голівку прикріпити до якої-небудь іншій молекули, при повороті вона здатна робити механічну роботу. Звідки береться енергія для такої роботи?

Енергію поставляє молекула АТФ – універсальне джерело енергії клітин всіх живих організмів.

Однак при русі голівки відносна зміна довжини молекули міозину виявляється незначною. М’язи, створені з таких молекул, могли б скорочуватися на одиниці відсотків (реальне скорочення м’язів може доходити до 50%). І природа «примудрилися» створити мотор, що працює по циклу, подібно тепловим двигунам, створеним людиною.

Щоправда, сталося це за мільярди років до створення людиною теплових двигунів. Біологічний двигун складається з двох молекул:

  • міозину, який здійснює рух;
  • актину, молекули якого, з’єднуючись між собою, утворюють довгі тонкі нитки.

Слід зазначити, що ККД такого двигуна (відношення досконалої механічної роботи до витраченої енергії) у кілька разів перевершує ККД теплових двигунів, створених людиною. Людина ще не досягла досконалості, наявного в природі; можливо, двигуни, подібні біологічним, будуть винайдені в майбутньому.

Біологічні мотори засновані на взаємодії двох типів молекул: молекули, змінюючої форму, і переміщуваної молекули. Ці молекулярні комплекси рациклічні і обумовлюють всі рухи, які спостерігаються в живій природі.

Що ж регулює циклічну роботу біологічного двигуна? Під впливом нервового імпульсу в цитоплазмі збільшується концентрація іонів Са2+. Вони сприяють контакту актину з міозіновою голівкою і з’єднанню міозину з однією зі складових молекули АТФ (в певному сенсі дію іонів кальцію подібно дії каталізаторів при хімічної реакції). Після того як міозинова голівка здійснила черговий тягнучий рух, концентрація іонів кальцію зменшується.

М’язове скорочення

Розглянемо роботу м’язи. М’язові волокна, що мають діаметр близько 50 мкм, складаються з окремих циліндричних структур – міофібрил, які мають діаметр 1-2 мкм.

Якщо зробити поперечний зріз міофібрили і поглянути на нього через електронний мікроскоп, то можна побачити правильно чергуючі тонкі нитки білка актину і товсті, пов’язані в пучок своїми хвостовими кінцями молекули міозину.

При зачепленні голівки міозину за актинову нитку утворюються поперечні містки.

Основу роботи м’яза становить робота безлічі елементарних актин-міозинових біологічних моторів.

У розслабленому стані м’язи міознові і Актинові нитки перекриваються незначно. Після декількох циклів актин-міозинових моторів Актинові нитки виявляються втягнутими в проміжки між міозиновими нитками, що призводить до скорочення м’язи.

Універсальний характер біологічного руху

Описані біологічні мотори обумовлюють різні рухи живих організмів. Прикладами таких рухів є зміна форми клітини і утворення перетяжки між дочірніми клітинами в ході клітинного поділу, рух джгутиків і вій найпростіших живих організмів (жгутиконосці, інфузорії), амебовидного руху – один з найпоширеніших способів переміщення клітин.

Дослідження амебоїдного руху показало, що в прилежачому до зовнішньої плазматичної мембрани амеб шару цитоплазми мається сіточка з ниток актину і міозину.

Скорочення і розслаблення цієї сіточки фактично змінює пружність зовнішньої оболонки, в результаті чого цитоплазма перетікає в область, де ця пружність менше. У цій області утворюється виріст – псевдоподія, яка закріплюється на оточуючих амебу тілах. Потім речовина амеби поступово перекачується в область, де закріпилася псевдоподія, після чого цикл повторюється.

Подібний спосіб руху характерний також для лейкоцитів – елементів крові людини і хребетних тварин – беруть участь в імунній відповіді організму. Переміщуючись, як амеби, ці клітини скупчуються навколо прониклих в організм чужорідних об’єктів і нейтралізують їх шкідливий вплив на організм.

Рух за допомогою джгутиків і вій надзвичайно поширений серед одноклітинних організмів.

Згинаючись, джгутики і війки скоюють складний рух. Рух джгутика нагадує рух гребного ґвинта. Рух війки нагадує рух рук людини, що пливе брасом: спочатку слідує прямий удар віями, потім вона згинається і повільно повертається у вихідне положення.

Незважаючи на величезну різноманітність форм руху живих істот, всі вони виявляються досить подібними і заснованими на одних і тих же молекулярних механізмах.

Джгутики і війки не містять м’язів.

Під мікроскопом видно, що джгутики і війки складаються з мікротрубочок, утворених молекулами білків. До кожної мікротрубочки прикріплені ручки, утворені білком – молекулярним мотором.

Цикл руху полягає в тому, що ручки мікротрубочки чіпляються за сусідню мікротрубочку, потім, згинаючись, підтягують сусідню мікротрубочку, після чого, відчепляючись, повертаються у вихідне положення. Таким чином, функцію актину в актин-міозиновому комплексі в даному випадку виконують мікротрубочки. Якщо мікротрубочки одним кінцем скріплені між собою, то при циклічному русі ручок відбувається вигин мікротрубочок.

При протіканні електричного струму через організм порушується електролітний баланс (зокрема, змінюється концентрація іонів Са2+). У зв’язку з цим можливі судомні скорочення м’язів, що, зокрема, обумовлено вражаючу дію електричного струму. Будьте уважні при роботі з електроустановками і електричними побутовими приладами. 

Питання

  • Як здійснюється механічний рух в живій природі?
  • Чи можна знайти щось спільне в бігу леопарда і повзанні амеби? Якщо так, то що?
  • За рахунок якого виду енергії відбувається механічна робота при дії біологічного мотора?
Посилання на основну публікацію