Біологія. 7 клас. Андерсон

§ 5. Методи дослідження клітин

Визначний внесок у розвиток мікроскопії зробив голландський натураліст Антоні ван Левенгук (1632-1723). Мікроскопи його конструкції забезпечували щонайменше 275-кратне збільшення. Вгамовуючи природну допитливість, Левенгук роздивлявся під мікроскопом буквально все, що попадало під руку. У воді з калюжі він побачив нитчасті водорості й одноклітинні організми. У зубному нальоті йому вдалося помітити надмалих істот, які отримали назву анімалькули («дрібні тварини») — це перше наукове виявлення існування бактерій (іл. 17). За життя Антоні ван Левенгук написав 560 наукових повідомлень до Лондонського королівського товариства з розвитку знань про природу, членом якого його було обрано в 1680 р.

Більшість клітин є дуже дрібними, унаслідок чого ми не можемо побачити їх неозброєним оком. На оптимальній для нашого зору відстані (25—30 см) ми здатні розрізняти об’єкти не менші за 70—80 мкм. А, наприклад, найпоширеніші клітини нашого організму — еритроцити, які транспортують кисень, — мають розмір усього 6—8 мкм (іл. 18). Для того, щоб бачити настільки дрібні структури, оку потрібна допомога.

Одним з таких допоміжних приладів є світловий мікроскоп, з будовою якого можна ознайомитися наприкінці цього параграфа. У найпростішому випадку досліджуваний препарат просвічується, далі зображення збільшується за допомогою оптичної системи мікроскопа, і ми спостерігаємо його в окуляр. Такий базовий спосіб мікроскопії називається методом світлого поля.

Іл. 17. Мікроскоп конструкції Антоні ван Левенгука та рисунок бактерій

У центрі пластинки мікроскопа можна бачити крихітну лінзу.

Іл. 18. Еритроцити людини в полі зору мікроскопа

Антоні ван Левенгук одним із перших науково описав еритроцити людини. Зокрема, він дав оцінку їхньому розміру: «у 25 тис. разів менше за піщинку».

Створіть інформаційно-пошуковий проект «Історія відкриття клітини».

Збільшення, яке він забезпечує, дає змогу побачити об’єкти розміром до 0.2 мкм (200 нм). Водночас внутрішні компоненти клітин мають набагато менші розміри. Для збільшення потужності світлових мікроскопів розроблено кілька методів.

Буває таке, що всі структури досліджуваного об’єкта невидимі при освітленні за методом світлого поля — це часто стосується живих біологічних об’єктів. У такому разі використовується освітлення за методом темного поля (іл. 19). За нього світло направляється через препарат у такий спосіб, що основна його частина не потрапляє до об’єктива. За відсутності препарату в мікроскоп буде видно темне поле, через що метод і отримав свою назву. Якщо ж на шляху світла (у досліджуваному об’єкті) є структури, які по-іншому заломлюють світло (відхиляють його в бік від лінії, якою воно йшло від джерела), заломлені промені можуть потрапити до об’єктива. Унаслідок цього такі структури стають видимими.

Інші методи світлової мікроскопії використовують складніші фізичні властивості світла (фазово-контрастна, поляризаційна мікроскопія тощо) і розширюють арсенал дослідників та дослідниць. Останнім словом світлової мікроскопічної техніки є прилади із суперроздільною здатністю (конфокальна, STED-мікроскопія тощо), що дозволяють бачити об’єкти розміром до 10 нм і навіть отримувати їх тривимірне зображення (іл. 20). У поєднанні з методиками вибіркового забарвлення хімічними речовинами вони дають можливість побачити в клітинах розподіл певних молекул і навіть їх переміщення в процесі життєдіяльності клітини. Отже, сучасні мікроскопічні техніки дають можливість вивчати не лише будову, а й функціонування клітин.

Іл. 19. Одноклітинні діатомові водорості, мікроскопія темного поля

Іл. 20. 3D-зображення інфузорії, конфокальна мікроскопія (довжина 16 мкм)

Зелений колір на зображенні відповідає війкам.

Обговоріть у команді значення окремих методів мікроскопії для вивчення клітини.

Використання світла в силу фізичних причин не дає змоги вивчати будову об’єктів молекулярного рівня. Допомагає в цьому електронна мікроскопія (іл. 21). Через препарат пропускають не промінь світла, а пучок електронів, які реєструються спеціальним сенсором. Різні речовини неоднаково взаємодіють з електронами, вільно пропускаючи їх або ж відхиляючи вбік. Роздільна здатність електронних мікроскопів досягає 0.5 нм. Описаний тип електронної мікроскопії називається просвічувальним (або трансмісивним). Також існують сканувальні електронні мікроскопи. У них пучок електронів потрапляє на об’єкт зверху, а сенсори вловлюють те, що відбилося (а не пройшло наскрізь). Це дозволяє отримати тривимірні зображення досліджуваних об’єктів.

Постійно мати у своєму розпорядженні клітини різних типів дає змогу метод клітинних культур. Для цього живі клітини утримують та розмножують на штучних поживних середовищах. Використання стандартних культур дає змогу дослідникам і дослідницям усіх лабораторій світу працювати з однаковими клітинами та отримувати сумісні результати. За їх допомогою вивчають, зокрема, вплив різних хімічних сполук або взаємодію з вірусами. Метод мічених атомів допомагає з’ясувати місце й перебіг процесів у клітині. Для цього в клітину вводять речовину, у якій один з атомів елемента заміщено на його радіоактивний ізотоп. За допомогою приладів, що фіксують іонізувальне випромінення, відстежують міграцію цих речовин у клітині.

Звісно, перелічити весь арсенал методів дослідження клітин, що є в розпорядженні сучасної науки, неможливо в рамках одного параграфа, тут ми назвали лише головні. А ознайомитися зі світловою мікроскопією допоможе практична робота.

Іл. 21. Електронний мікроскоп (а) та отримане з його допомогою зображення культивованих клітин (б)