Тема 2. Структура клітини

У цій темі ви дізнаєтесь про:

типи мікроскопії;
особливості клітинного рівня організації живої матерії;
будову еукаріотичних і прокаріотичних клітин, спільні та відмінні риси їхньої організації.

§ 10. Типи мікроскопії

Пригадайте будову світлового мікроскопа. У чому полягають правила роботи з ним?

Яка наука вивчає клітини?

Клітини, їхню будову та процеси життєдіяльності досліджує наука цитологія.

Цитологія бере початок з відкриття, яке 1665 р. здійснив англійський дослідник Р. Гук (мал. 10.1, 1). За допомогою сконструйованого власноруч мікроскопа він розглянув оболонки клітин корка й запропонував термін клітина. 1702 р. голландський дослідник А. ван Левенгук (мал. 10.1, 2), також за допомогою мікроскопів власної конструкції, відкрив клітини бактерій, одноклітинні еукаріотичні організми (інфузорії та ін.), описав деякі клітини багатоклітинних тварин (еритроцити та сперматозоїди).

Типи мікроскопії. Сучасні дослідження в галузі цитології спрямовані насамперед на вивчення різноманітних органел і структур, їхніх функцій у клітині. Удосконалені сучасні збільшувальні прилади й новітні технології відкривають нові перспективи перед дослідниками, дозволяючи вивчати навіть найдрібніші клітинні структури. Нині щодалі більше розвиваються дослідження і в галузі клітинної інженерії.

Мал. 10.1. 1. Роберт Гук (1635-1703) (а), сконструйований ним мікроскоп (б), зріз через корок, який він досліджував (в). 2. Антоні ван Левенгук (1632-1723) (а), сконструйований ним мікроскоп (б)

Мал. 10.2. 1. Схематична будова і принцип роботи світлового мікроскопа. Завдання. Зверніть увагу на хід променів світла від його джерела до системи лінз об’єктива та окуляра. 2. Клітини рослини у полі зору світлового мікроскопа

Першим приладом, який дав змогу вивчати клітини, був світловий (оптичний) мікроскоп. Розгляньте малюнок 10.2 і пригадайте будову світлового мікроскопа. Методи досліджень, які здійснюють за допомогою цього приладу, називають світловою мікроскопією.

Метод світлової мікроскопії ґрунтується на тому, що через прозорий чи напівпрозорий об’єкт дослідження проходять промені світла, які згодом потрапляють до системи лінз об’єктива та окуляра (мал. 10.2, 1). Ці лінзи збільшують об’єкт дослідження, при цьому кратність збільшення можна визначити як добуток збільшень об’єктива й окуляра. Наприклад, якщо лінзи окуляра забезпечують збільшення в 10 разів, а об’єктива - в 40, то загальне збільшення об’єкта досліджень становитиме 400 разів. Сучасні світлові мікроскопи можуть забезпечувати збільшення до 2-3 тис. разів. Удосконалити свої навички роботи зі світловим мікроскопом ви зможете під час виконання лабораторної роботи (див. с. 64).

Важливим етапом розвитку не тільки цитології, а біології в цілому було створення клітинної теорії. Основні її положення сформулювали два німецьких учені - М. Я. Шлейден та Т. Шванн (мал. 10.3). Спираючись на результати численних попередніх, а також власних досліджень, вони зробили фундаментальні узагальнення:

усі організми складаються з клітин, тому клітина є їхньою структурно-функціональною одиницею;
клітини різних організмів подібні за своїм планом будови, хімічним складом та основними проявами процесів життєдіяльності.

Згодом клітинну теорію доповнив ще один німецький дослідник - Рудольф Вірхов: він встановив, що дочірні клітини виникають унаслідок розмноження материнської.

Мал. 10.3. 1. Маттіас Якоб Шлейден (1804-1881). 2. Теодор Шванн (1810-1882).

Мал. 10.4. 1. Сучасний електронний мікроскоп. 2. Фото хлоропластів у клітині, зроблене за допомогою електронного мікроскопа

Метод електронної мікроскопії. Клітинні структури найдрібніших розмірів (мембрани, рибосоми тощо) були відкриті та вивчені лише за допомогою електронного мікроскопа, перший зразок якого був сконструйований 1931 р. На відміну від оптичного, електронний мікроскоп здатний збільшувати зображення об’єктів дослідження до 500 тис. разів і більше (мал. 10.4). Конструкція електронного мікроскопа дещо нагадує конструкцію світлового, але замість променів світла в ньому застосовують потік електронів, які рухаються в магнітному полі. Роль лінз при цьому виконують електромагніти, здатні змінювати напрямок руху електронів, збирати їх у пучок (фокусувати) й спрямовувати його на об’єкт дослідження. Частина електронів, проходячи через об’єкт дослідження, може відхилятись, розсіюватись, поглинатись, взаємодіяти з об’єктом або проходити крізь нього без змін. Пройшовши через досліджуваний об’єкт, електрони потрапляють на люмінесцентний екран, спричиняючи його нерівномірне свічення, або на особливий фотоматеріал, за допомогою якого зображення можна фотографувати.

За допомогою методу сканувальної електронної мікроскопії досліджують поверхні клітин, окремих органел тощо (мал. 10.5). При цьому потік електронів не проходить крізь об’єкт дослідження, а відбивається від його поверхні.

У живих клітинах можна вивчати процеси їхньої життєдіяльності (рух цитоплазми, поділ тощо). Тонкі деталі клітинної будови досліджують на певним чином оброблених клітинах. Для цього клітини потрібно попередньо зафіксувати певними речовинами (спирт, формалін тощо), швидким заморожуванням або висушуванням. Окремі структури фіксованих клітин зафарбовують особливими барвниками та виготовляють мікроскопічні препарати, які можуть зберігатися тривалий час. Щоб за допомогою електронного сканувального мікроскопа сфотографувати поверхні клітини або окремих органел, їх покривають металічним пилом, наприклад золотим.

Мал. 10.5. 1. Сучасний сканувальний мікроскоп. 2. Фото шкірки листка, зроблене за допомогою сканувального мікроскопа

Для того щоб постійно мати у своєму розпорядженні клітини для досліджень, учені застосовують метод культури клітин. При цьому живі клітини певних типів утримують і розмножують на штучних поживних середовищах (наприклад, виготовлених з агару - речовини, яку добувають із червоних водоростей). Змінюючи компоненти поживного середовища, можна спостерігати, як різні сполуки впливатимуть на ріст і розмноження клітин, інші їхні властивості. Культури клітин, наприклад, використовують у медицині та фармакології (наука, яка досліджує ліки та їхній вплив на організм) для дослідження впливу різних лікарських сполук, вірусів, отримання біологічно активних речовин (лікарських препаратів, вітамінів тощо).

Цікаво знати

Цитологічні методи широко застосовують для діагностики різноманітних захворювань людини і свійських тварин, визначення фізіологічного стану організмів. Так, в онкології (наука, яка вивчає причини виникнення, розробляє засоби діагностики та лікування ракових захворювань) ці методи використовують для виявлення злоякісних і доброякісних пухлин, діагностики передонкологічних станів і первісних стадій цих захворювань. Для цього виявляють аномальні клітини та вивчають їхню здатність до швидкого розмноження. Розроблено цитологічні методики розпізнавання захворювань крові, травної системи, нирок, легень, шкіри тощо. Наприклад, значне збільшення кількості еритроцитів свідчить про небезпечну хворобу - еритроцитоз, а лейкоцитів - про білокрів’я (лейкоз). Уперше припущення про те, що хвороби людини пов’язані з патологічними змінами в будові та функціонуванні клітин, ще у XIX ст. зробив німецький учений Р. Вірхов.

Завдання

За допомогою учительки/учителя, використовуючи літературні та інтернет-джерела, зробіть огляд сучасних методів досліджень у цитології.

Ключові терміни та поняття: світлова (оптична) та електронна мікроскопія.

Перевірте здобуті знання

1. За допомогою яких методів вивчають клітини? 2. У чому полягає метод світлової мікроскопії? 3. Чим відрізняються принципи роботи світлового та електронного мікроскопів? 4. Для чого використовують метод сканувальної електронної мікроскопії? 5. З якою метою використовують метод культури клітин?

Поміркуйте. Чому клітинну теорію вважають однією з фундаментальних у біології?

Зміст