Біологія. Повторне видання. 9 клас. Андерсон

Тема 2. Структура клітини

З історії відкриттів

Становлення і розвиток науки про клітину пов’язано із винайденням мікроскопа. Одним із перших винахідників мікроскопа був Захаріус Янсен, який створив його в 1595 р. Надалі мікроскоп удосконалив видатний англійський фізик Роберт Гук (1635-1703), що сприяло відкриттю ним клітинної будови організмів. Розглядаючи кіркову пробку, якою була закоркована пляшка, учений у 1665 р. вперше в історії людства спостерігав у полі зору мікроскопа клітини рослин. Голландський натураліст Антоні ван Левенгук (1632-1723) суттєво вдосконалив конструкцію мікроскопа, уперше спостерігав бактерії та найпростіші, описав пластиди, еритроцити, сперматозоїди. У 1827 р. Карл Бер описує яйцеклітини ссавців. Центральну структуру клітин рослин і тварин - ядро - відкрили в 1825 р. чеський дослідник Ян Пуркіньє (1787-1869) (у клітинах тварин) та в 1831 р. англієць Роберт Броун (1773-1858) (у клітинах рослин). Італійський науковець Камілло Гольджі в 1906 році отримав Нобелівську премію в галузі фізіології або медицини «у знак визнання праць про структуру нервової системи». Під час вивчення нервових клітин він відкрив органелу, яку було названо на його честь - комплекс Гольджі.

Мікроскоп Р. Гука

Праці німецьких учених Матіаса Шлейдена (1804-1881), Теодора Шванна (1810-1882) та Рудольфа Вірхова (1821-1902) лягли в основу клітинної теорії - фундаментального узагальнення біології, яка визначала взаємозв’язок усіх проявів життя на Землі з клітиною. У 1838 р. Т Шванн опублікував три попередні повідомлення, а в 1839 р. з’явився його класичний твір «Мікроскопічні дослідження про відповідність у структурі й зростанні тварин і рослин», у самому заголовку якого висловлено основну думку клітинної теорії.

Малюнок корка з праці «Мікрографії» Р. Гука

Відкриття в цитології стали підґрунтям для розвитку медицини, ветеринарії, сучасних напрямів досліджень у галузі клітинної інженерії. З методами вивчення клітини та сучасними відкриттями в цитології ви ознайомитеся в параграфах цієї теми.

§ 8. Дослідження клітин

Який прилад на уроках біології ви використовували для вивчення клітин, тканин? Що є складниками цього приладу та які їхні функції?

Ви знаєте, що всі процеси життєдіяльності організмів відбуваються на клітинному рівні. Так, у клітині зберігається спадкова інформація, забезпечуються її відтворення та передавання наступним поколінням. На основі цієї інформації синтезуються білкові молекули, які виконують в організмах більшість функцій. У клітинах відбуваються процеси синтезу органічних речовин з неорганічних (§ 16, 17). Організми розмножуються спорами, частинами організму або внаслідок злиття статевих клітин, тобто відтворюють собі подібних за рахунок клітин. З цими та іншими процесами функціонування клітин ви ознайомитеся детальніше в наступних параграфах.

• Клітина є одиницею будови, життєдіяльності та розмноження організмів.

Типи й методи мікроскопії. Більшість клітин дуже дрібні, тому їх не можна побачити. На оптимальній для зору відстані (25-30 см) людина здатна розрізняти об’єкти розміром не менше ніж 70-80 мкм. Для того щоб бачити дрібніші об’єкти, оку потрібна допомога - спеціальні прилади для збільшення. Біологічні об’єкти, вивчення яких стало можливим завдяки винайденню таких приладів, представлено на іл. 36.

Іл. 36. Розміри біологічних об’єктів клітинного й молекулярного рівнів

Проаналізуйте розміри зображених біологічних об’єктів. Який об’єкт має найбільші розміри, а який - найменші?

Світлова мікроскопія. Згадаємо будову світлового мікроскопа. Сукупність лінз, що містяться в об’єктивах та окулярах, називається оптичною системою мікроскопа. Під предметним столиком розміщено частину мікроскопа, яка забезпечує проходження світла від досліджуваного об’єкта до оптичної системи. У найпростішому випадку - це дзеркало: світло проходить через препарат та лінзи, унаслідок чого можна бачити досліджуваний об’єкт. Під час виготовлення мікропрепарату часто використовують барвники - речовини, що вибірково забарвлюють різні компоненти клітини (іл. 37). Описаний спосіб мікроскопії називається методом світлого поля. Саме його ви використовуєте під час виконання лабораторних робіт з біології. У такий спосіб можна побачити об’єкти розміром від 200 нм (внутрішні компоненти клітин мають значно менші розміри). Для збільшення потужності світлових мікроскопів існує кілька методів.

Іл. 37. Забарвлення мікропрепаратів

Якщо всі структури досліджуваного об’єкта невидимі при освітленні за методом світлого поля (це часто стосується живих біологічних об’єктів), використовують освітлення за методом темного поля. При цьому конденсор спеціальної конструкції так спрямовує світло через об’єкт, що його основна частина не потрапляє до об’єктива. За відсутності препарату в мікроскоп буде видно темне поле (тому метод й отримав таку назву). Якщо ж на шляху світла (в мікропрепараті) є структури, які заломлюють світло по-іншому (відхиляють його в бік від лінії, якою воно пройшло від конденсора), то заломлені промені потрапляють в об’єктив, і такі структури стають видимими (іл. 38).

Іл. 38. Зображення діатомових водоростей за допомогою методу темного поля

Інші методи світлової мікроскопії (фазово-контрастна, поляризаційна) ґрунтуються на складних властивостях світла та розширюють можливості дослідників. Останнім словом світлової мікроскопічної техніки є прилади з суперроздільною здатністю, що дають змогу бачити об’єкти розміром до 10 нм (конфокальна, STED-мікроскопія тощо). А в поєднанні з методиками вибіркового забарвлення хімічних речовин (використання явища флуоресценції) можна побачити в клітинах розподіл певних молекул і навіть зміни їх концентрації в процесі життєдіяльності клітини. Наприклад, за допомогою конфокальної мікроскопії можна побачити зміни концентрації йонів Са²⁺ під час запліднення яйцеклітини дрозофіли (високі концентрації показано червоним кольором, низькі - синім; інтервал часу між зображеннями - 1 хв) (іл. 39).

Іл. 39. Вимірювання змін концентрації йонів Ca²⁺. Конфокальна мікроскопія

Електронна мікроскопія. Однак використання світла не дає змоги вивчати будову об’єктів молекулярного рівня. Допомагає в цьому електронна мікроскопія. Через препарат пропускають не промінь світла, а пучок електронів, які реєструються спеціальним сенсором. Різні речовини взаємодіють з електронами неоднаково - вільно пропускають їх або ж відхиляють. Завдяки такій особливості можна бачити різні структури. Наприклад, нітрогеновмісні основи нуклеотидів активно взаємодіють з електронами, тому ядра клітин, що зберігають ДНК, видаються темнішими. Роздільна здатність електронних мікроскопів сягає 0,5 нм і менше. Описаний різновид електронної мікроскопії називається просвічувальним, або трансмісивним (іл. 40). Існують також сканувальні електронні мікроскопи. У них пучок електронів пропускають на об’єкт зверху, а сенсори вловлюють зображення, що відбилося (а не те, що пройшло наскрізь). Це дає змогу отримувати тривимірні зображення досліджуваних об’єктів (іл. 41).

Іл. 40. Зображення мембран двох клітин.

Іл. 41. Зображення чутливих клітин внутрішнього вуха.

Основні методи дослідження живих клітин. Постійно проводити дослідження клітин різних типів дає змогу метод культури клітин. При цьому живі клітини утримують та розмножують на штучних поживних середовищах. Метод мічених атомів, або авторадіографія, допомагає з’ясувати місце й перебіг певних фізико-хімічних явищ у клітині. Для цього в клітину вводять речовину, у якій один з атомів елемента (наприклад, Карбону, Фосфору) заміщено на його радіоактивний ізотоп. За допомогою приладів, що фіксують йонізувальне випромінення, відстежують міграцію цих речовин у клітині, їхні перетворення, виявляють місце й характер різних біохімічних процесів.

Різноманітність клітин. Клітина - жива відкрита система, яка є основою будови й розвитку організмів. Усі клітини мають загальні ознаки будови: поверхня кожної клітини обмежена плазматичною мембраною, а внутрішній уміст представлений цитоплазмою. Клітинам властиві обмін речовин та енергії з навколишнім середовищем, розмноження, ріст та розвиток, синтез специфічних молекул (нуклеїнові кислоти, білки, ферменти тощо). Вони реагують на подразники адаптивними змінами. Характерна особливість клітин - це єдність хімічних процесів: дихання, використання та перетворення енергії. Клітини різняться між собою за розміром, формою, походженням, особливостями організації й функціями. Ви вже ознайомилися з будовою деяких клітин (іл. 42). Сучасній науці відомо більш як 200 тис. видів одноклітинних організмів, кожен із яких характеризується властивими лише йому особливостями. Тіла багатоклітинних організмів складаються з клітин різних типів (кілька десятків типів у рослин, 100-200 - у тварин), причому клітини одного типу в різних видів мають певні відмінності. За складністю будови клітини поділяють на дві великі групи:

• клітини, що мають ядра та складну внутрішню будову, називаються еукаріотичними (від грец. еу- - повністю, добре та каріо - ядро) і властиві грибам, рослинам та тваринам;
• без’ядерні клітини, що мають простішу внутрішню будову, називаються прокаріотичними (від грец. про - до і каріо) і властиві бактеріям й археям.

Ми почнемо ознайомлення з будовою клітин із складних, еукаріотичних. До них належать і клітини організму людини.

Іл. 42. Різноманітність клітин: а - формені елементи крові людини; б - інфузорія-туфелька

Які функції виконують зображені клітини в складі багатоклітинних організмів? Інфузорія - це клітина чи організм?

Повторіть, поміркуйте

1. Перелічіть методи вивчення клітини. 2. Які типи мікроскопії ви знаєте? 3. Поясніть значення кожного типу мікроскопії для вивчення клітини. 4. Який метод дає змогу з’ясовувати перебіг хімічних процесів? 5. Які організми належать до еукаріотів, а які - до прокаріотів?