Учебное пособие "Мир клетки" Модуль 1 "Предмет цитологии. Методы изучения клетки" к Программе "Путешествие в мир клетки"

Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №50

мир клетки

Учебное пособие к программе факультативного курса для 10-11 классов

СоставлЕНО на основе материалов

сайта:http://www.RUSOLIMP.ru/

г. Калининград

2009 г.

Введение

Учебное пособие блочно - модульного типа «Мир клетки» подготовлено для проведения факультативного курса для учащихся 10-11 классов. Необходимость введения факультативного курса определяется в первую очередь тем, что за последние двадцать лет произошло значительное развитие биологической науки: гигантский шаг вперед сделала молекулярная биология и молекулярная генетика, клеточная и молекулярная инженерия. За эти годы накопилось множество новых сведений о хроматине и хромосомах, о мембранах клетки и цитоскелетных структурах и т.д. В школьных же учебниках определенный объем теоретического материала в области цитологии устарел, зачастую используется старая номенклатура. В учебном пособии «Мир клетки» изложены основные вопросы о морфофункциональных особенностях прокариотической и эукариотической клеток на микроскопическом и ультрамикроскопическом уровне.

Освещены такие вопросы, как основные положения клеточной теории, формы клеточной гибели (некроз и апоптоз), поскольку эти вопросы включены в стандарт общего образования в области биологии, а в школьных учебниках они не рассматриваются или рассматриваются недостаточно подробно.

Изучение клеток бактерий, растений, грибов, животных осуществлялось в 6 – 9 классах, и элективный курс направлен на углубление, систематизацию и обобщение знаний, таким образом, элективный курс является интегративным. И, наконец, целью курса является формирование умений отличать типы клеток и их органеллы на микропрепаратах, что определено образовательным стандартом и не всегда представляется возможным из-за лимита времени на уроке, а главное - материально-технических возможностей.

В учебное пособие введены сведения о последних достижениях науки. Ознакомление школьников с новинками науки крайне необходимо для понимания, чем живет наука в данный момент, какие «горячие точки» в ней привлекают внимание исследователей.

Одной из особенностей пособия является то, что оно построено в структуре учебного модуля и кроме информационного блока, снабженного большим количеством иллюстраций, содержит рекомендации для самостоятельного освоения учебного материала, задания в тестовой форме для самоконтроля, задания для практической работы, ситуационные задачи и контрольные задания повышенного уровня сложности.

Предисловие

Вы знаете, что изучение мира живого - занятие столь же древнее, как и возраст человечества, поскольку изучение и сравнение удивительно разнообразных живых форм всегда было связано с самыми насущными потребностями человеческой жизни. Наши предки отлично разбирались в различиях между летучей мышью и птицей задолго до того, как они стали подозревать о существовании сходства между тканями гриба и тканями человеческого организма.

Данное учебное пособие посвящено изучению основных вопросов биологии клетки и построено по модульному типу.

Понятие «модуль» - блок чаще всего используется в точных и технических науках, и обозначает структурно-функциональный. Все чаще принцип модульной организации обучения используется для самостоятельного освоения учебной дисциплины или элективного курса.

Содержания пособия разбито на четыре блока - раздела. По оглавлению легко найти содержание данных блоков.

Задания вводного теста в начале пособия помогут Вам определить базовый уровень подготовки по вопросам цитологии, поскольку Вы изучали строение клеток различных организмов: бактерий, грибов, растений и животных в шестом, седьмом, восьмом и девятом классах.

В начале каждого раздела даны целевые установки, то есть информация о том, что Вы узнаете, чему научитесь при изучении данного раздела, причем, многие пункты целевой программы взяты непосредственно из федерального компонента государственного стандарта общего образования.

За целевыми установками следует информационный блок, содержащий собственно учебный материал. Учебный материал иллюстрирован схемами, рисунками, микрофотографиями; весь иллюстративный материал поможет Вам наиболее полно осмыслить изучаемый материал. Поэтому внимательно читайте подписи и объяснения к иллюстрациям. Все термины и незнакомые слова выделены жирным курсивом и имеют объяснения, как в тексте, так и в словаре, который завершает учебное пособие.

После информационного блока следуют рекомендации для самоподготовки. Эти рекомендации включают вопросы для обсуждения и осмысления учебного материала, задания для его систематизации и обобщения.

Каждый раздел учебного пособия содержит комплект заданий в тестовой форме, при выполнении которого Вы сможете оценить уровень усвоения учебной информации.

Практические занятия, ситуационные задачи, завершающие каждый раздел направлены на формирование необходимых умений и компетенций.

Учебный модуль содержит список использованной литературы и электронных информационных средств.

Мы надеемся, что данное пособие позволит Вам не только успешно подготовиться к вступительным экзаменам институты, к участию в олимпиадах, но и научит самостоятельно пополнять и совершенствовать свои знания и умения, а также выработает у Вас способность уверенно применять свои знания, навыки и умения в конкретных ситуациях.

Вводный тест

Дополните:

1. Какие жизненные процессы присущи растительной клетке ______________________

2. Оболочка растительной клетки обладает большой прочностью потому, что она __________.

3. Какой газ растительная клетка поглощает при дыхании ____________________.

4. Как называются тельца, передающие наследственные признаки от клетки к клетке ________.

5. Споры бактерий служат для _______________________ .

6. Грибы отличаются от растений тем, что их клеточная стенка содержит _________________ .

Выберите номер правильного ответа.

7. Ядро в клетке

1) содержит запас питательных веществ;

2) осуществляет связь между органоидами и частями клетки;

3) способствует поступлению веществ в клетку;

4) обеспечивает сходство материнской клетки с дочерними.

8. В основе роста растительного и животного организма лежит процесс

1) деления клеток;

2) оплодотворения;

3) обмена веществ;

4) пищеварения.

1. Пластиды зеленого цвета называются

1. хромопласты;

2. хлоропласты;

3. лейкопласты.

1. Зрелая растительная клетка отличается от молодой тем, что

   1. вакуоль крупная, ядро находится в центре;

   2. вакуоли мелкие, ядро находится в центре;

   3. вакуоли мелкие, ядро расположено на периферии;

   4. вакуоль крупная, ядро - на периферии.

11.Органеллами движения у амебы являются

1. жгутики;

2. реснички;

3. ложноножки.

12. Элементарной структурно-функциональной единицей всего живого является

1. зигота

2. росток

3. семя

4. клетка

13. Наследственные свойства клетки несет

1. ядерный сок

2. хромосома

3. ядерная оболочка

4. ядрышко

Выберите номера всех правильных ответов

12. Клетка бактерий отличается от клетки животного

1. наличием наружной мембраны

2. отсутствием ядра

3. отсутствием цитоплазмы

4. наличием плотной оболочки

5. отсутствием митохондрий

6. содержанием органических веществ

(Проверьте правильность выполнения тестовых заданий по эталону на странице….)

Раздел 1. Предмет цитологии. Методы изучения клетки

При изучении этого раздела Вы узнаете:

• что изучает цитология;

• основные этапы становления цитологии как науки;

• сущность положений клеточной теории;

• сущность традиционных и современных методов изучения морфофизиологии клетки

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЛОК

Цитология относится к фундаментальным разделам биологии, т.к. она исследует и описывает единственную единицу всего живого на Земле – клетку. Клетка не только основная структурная, но и функциональная, и генетическая единица организации живого, элементарная живая система. Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов.

1. . Основные этапы становления цитологии как науки

Познание клетки имеет важнейшее значение для развития множества других биологических наук, таких как физиология, генетика, молекулярная биология и др., поскольку дает им материал для изучения отдельных свойств именно клеток, а все физиологические процессы организмов имеют клеточную основу. Огромное значение современная цитология имеет для медицины, так как любые заболевания человеческого организма своей основой имеют патологию конкретных клеток или их групп, что важно для понимания развития болезни, для ее диагностики и для выбора методов лечения и профилактики заболевания.

Во второй половине XX века цитология из описательно-морфологической превратилась в экспериментальную науку, которая ставит перед собой задачи изучения физиологии клетки на ультраструктурном уровне, что связано с достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики. Это послужило основанием для углубленного изучения морфофизиологии клетки с позиций данных наук, что обеспечило появление синтетической науки о клетке, которую чаще называют клеточной биологией. В этой науке сочетаются как морфологические, так и молекулярно-биологические подходы, что позволяет в настоящее время считать термины цитология и биология клетки совпадающими, т.к. предметом их изучения является клетка, имеющая свои собственные закономерности организации и функционирования.

Чуть более 300 лет отделяют нас от того времени, когда была впервые увидена клетка. Мир клеток невидим невооруженным глазом, он оставался полностью неизведанным до середины XVII столетия.

Одним из первых создателей микроскопа был англичанин Роберт Гук – физик, метеоролог, биолог, инженер, архитектор. В 1665 году он опубликовал альбом рисунков под названием «Микрография», изображающих его наблюдения под микроскопом. Среди рисунков был тонкий срез пробковой ткани дерева, структура которого напоминала пчелиные соты. Роберт Гук дал им название ячейки или клетки (от греч. «kytos» - ячейка, клетка). Это слово закрепилось для обозначения живых клеток, и вошло в название науки, их изучающей.

Работы Р. Гука вызвали интерес к дальнейшим микроскопическим исследованиям организмов. Современник Гука Антони ван Левенгук создал более двухсот микроскопов особой конструкции, позволяющих давать увеличение в 270 раз. Он впервые увидел и описал (1680) клетки животных (эритроциты и сперматозоиды), а так же удивительный мир бактерий - «анимакулюсов».

М. Мальпиги и Н. Грю на заседании Королевского ботанического общества (1671) доложили о том, что растительные клетки не однородны, среди них есть пузырьки и волокнистые структуры. Позднее клетки животных описал Ф.Фонтана (1781). Однако возможности светового микроскопа в XVII-XVIII веках были ограничены.

Накопление материала о клеточном строении растений и животных, о структуре самих клеток шло медленно, и многочисленные исследования не привели в то время к пониманию универсальности клеточного строения, к четким представлениям о том, что представляет собой клетка.

Прогресс в изучении микроанатомии клетки связан с развитием микроскопической техники в XIX веке. К этому времени изменились представления о строении клетки: главным в организации клетки стала считаться не клеточная стенка, а собственно ее содержимое - протоплазма (Я. Пуркинье, 1830). Позднее в 1833 М. Брауном в протоплазме был открыт постоянный компонент клетки - ядро.

Длительное и пристальное изучение клетки привело к формулированию важного теоретического обобщения, так называемой клеточной теории, имеющей огромное общебиологическое значение.

1.2. Основные положения клеточной теории

Клеточная теория – это обобщенные представления о строении клеток как единиц живого, об их размножении и роли в формировании многоклеточных организмов.

Формулированию отдельных положений клеточной теории предшествовал довольно длительный период накопления наблюдений над строением различных одноклеточных и многоклеточных организмов растений и животных.

Исследования в области микроскопии позволили в тридцатые годы XIX века ботанику Матиасу Шлейдену (1838) и зоологу Теодору Шванну («Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений»1839) сделать фундаментальные обобщения о клеточной организации живого и сформулировать основные положения клеточной теории. «Заслуга Т. Шванна заключалась не в том, что он открыл клетки как таковые, а в том, что он научил исследователей понимать их значение» Вальдейер, 1909.

Дальнейшее развитие клеточная теория получила в работах патолога Рудольфа Вирхова, который в 1858 году провозгласил: Omnis cellula e cellula (Всякая клетка происходит из другой клетки). Это утверждение стало четвертым положением клеточной теории.

Создание клеточной теории стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства всей живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии, послужила главным фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она дала основы для понимания жизни и механизмов индивидуального развития, для объяснения родственной взаимосвязи организмов.

Основные положения клеточной теории сохранили свое значение и на сегодняшний день, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клеток.

1. Клетка – элементарная единица живого; вне клетки нет жизни.

2. Клетка – единая, целостная система, состоящая из множества закономерно связанных друг с другом элементов – органелл или органоидов.

3. Клетки сходны (гомологичны) по строению и по основным свойствам.

4. Клетка происходит от клетки. Клетки увеличиваются в числе путем деления исходной клетки после удвоения ее генетического материала (ДНК).

5. Многоклеточный организм представляет собой сложный ансамбль из множества клеток, объединенных в системы тканей и органов, связанных друг с другом с помощью гуморальных и нервных факторов.

6. Клетки многоклеточных организмов тотипотентны, т.е. обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию – дифференцировке.

Давайте подробнее рассмотрим сущность основных положений клеточной теории.

1. Клетка – элементарная единица живого

Представление о клетке как о единице живого было дано еще в работах Т. Шванна. Р. Вирхов также считал, что каждая клетка несет в себе полную характеристику жизни: «Клетка есть последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права искать настоящей жизнедеятельности вне ее» (1858). Современная наука полностью доказала это положение. В популярной литературе клетку часто называют «атомом жизни», «квантом жизни», подчеркивая тем самым, что клетка – это наименьшая единица живого, вне которой нет жизни.

Такая общая характеристика клетки должна в свою очередь опираться на определение живого. М.В. Волькенштейн (1965) дает следующее определение жизни: «Живые организмы представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, важнейшими функционирующими веществами которых являются белки и нуклеиновые кислоты». Живому свойствен ряд совокупных признаков: способность к воспроизведению, использование и трансформация энергии, обмен веществ (метаболизм), чувствительность и изменчивость. И такую совокупность признаков можно обнаружить на клеточном уровне. Среди живых организмов встречаются два типа организации клеток. К наиболее простому типу строения можно отнести клетки бактерий и сине-зеленых водорослей – цианобактерий, архибактерий к более высокоорганизованному - клетки всех остальных живых существ, начиная от одноклеточных животных и заканчивая человеком. Принято называть клетки бактерий и сине-зеленых водорослей прокариотическими (доядерными клетками), а клетки всех остальных представителей живого – эукариотическими (собственно ядерными), так как у последних обязательной структурой служит клеточное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной оболочкой.

Содержимое прокариотической клетки одето плазматической мембраной. Обычно снаружи от плазматической мембраны расположена клеточная стенка. У прокариотических клеток нет морфологически выраженного ядра, но присутствует нуклеоид - молекула ДНК с белком.

В цитоплазме прокариотических клеток располагаются многочисленные рибосомы, цитоплазматические же мембраны обычно выражены не так сильно, как у эукариотических клеток. Обычно все внутриклеточные мембранные системы прокариот (например, мезосомы) развиваются за счет наружной плазматической мембраны.

У эукариотических клеток кроме ядра в цитоплазме присутствуют органеллы, выполняющие определенные функции. К числу органелл относят мембранные и немембраные структуры. Эукариотические клетки, как правило, намного крупнее прокариотических. Так, палочковидные бактерии имеют длину до 5 мкм, а толщину около 1 мкм, в то время как эукариотические клетки могут достигать десятков мкм.

Несмотря на четкие морфологические отличия, и прокариотические и эукариотические клетки имеют много общего, что и позволяет отнести их к одной, клеточной, системе организации живого. В клетках прокариот и эукариот сходно происходят процессы активного межмембранного транспорта, синтез белка, РНК и ДНК, похожи и биоэнергетические процессы.

Таким образом, клетка – это ограниченная активной мембраной, упорядоченная структурированная система биополимеров (белков, нуклеиновых кислот и др.) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Одно время первый постулат клеточной теории подвергался многочисленным нападкам и критике. Некоторые авторы указывали, что в многоклеточных организмах, особенно у животных, кроме клеток существуют и межклеточные, промежуточные вещества, которые тоже, казалось, обладали свойствами живого. В настоящее время известно, что компоненты межклеточного вещества (основное вещество и волокна) представляют собой не самостоятельные образования, а производные определенных групп клеток.

Другие возражения касались того, что часто у животных кроме отдельных клеток встречаются надклеточные структуры: так называемые симпласты и синцитии (соклетия). По морфологическому описанию это крупные цитоплазматические многоядерные образования. Примерами симпластов могут служить мышечные волокна позвоночных, а синцитиев - эпидермис у ленточных червей, а также плазмодии у низших грибов миксомицетов. В отличие от симпластов синцитии возникают вторично за счет слияния отдельных клеток или же в результате деления одних ядер без разделения цитоплазмы.

2. Клетка – единая система соподчиненных функциональных единиц

Изучая клетки растений, животных, человека, мы знаем о сложности строения этой «единицы», которая содержит в себе различные внутриклеточные структуры, выполняющие разнообразные функции. Формально любую клетку можно «разложить» на ряд как бы независимых структурных и функциональных компонентов, выполняющих свои специфические функции. Так, например, эукариотические клетки принято разделять на ядра и цитоплазму. В цитоплазме, в свою очередь, выделяют гиалоплазму или основную плазму клетки (цитозоль – растворимый компонент цитоплазмы по терминологии биохимиков), а также целый ряд структур – органелл, выполняющих свои отдельные специфические функции. Выделяют мембранные органеллы. К ним относятся: одномембранные (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, эндо- и экзоцитозные вакуоли, лизосомы, пероксисомы) и двумембранные (митохондрии и пластиды). К немембранным органеллам нужно отнести рибосомы и систему цитоскелетных фибрилл. Кроме того, вся поверхность клетки покрыта цитоплазматической мембраной, тесно функционально связанной как с вакуолярной системой, с элементами цитоскелета, так и с гиалоплазмой.

Каждая из перечисленных структур представляет собой подсистему функционирования клетки. Так клеточное ядро является системой хранения, воспроизведения и реализации генетической информации. Гиалоплазма - система основного промежуточного обмена; рибосомы – элементарные «клеточные машины» синтеза белка; цитоскелет - опорно-двигательная система клетки; вакуолярная система - система синтеза и внутриклеточного транспорта белковых биополимеров и образование многих клеточных мембран; митохондрии - органеллы энергообеспечения клетки за счет синтеза АТФ, пластиды растительных клеток - система синтеза АТФ и фотосинтеза, плазматическая мембрана - барьерно-рецепторно-транспортная система клетки. Все эти подсистемы клетки находятся во взаимозависимости. Так, например, нарушение функций ядра сразу сказывается на синтезе клеточных белков, нарушение работы митохондрий прекращает все синтетические и обменные процессы в клетке, разрушение элементов цитоскелета прекращает внутриклеточный транспорт и т.д. Как в часовом механизме, повреждение любой его части приводит к остановке всей системы в целом.

3. Гомологичность клеток

Термин гомологичность означает сходство по коренным свойствам и отличие по второстепенным. При изучении клеток растений и животных вы видели разительное сходство не только в микроскопическом строении этих клеток, но и в деталях строения их отдельных компонентов. Таким образом, у эукариот и прокариот клетки отделены друг от друга или от внешней среды активной плазматической мембраной, которая может принимать участие в выделении веществ из клетки и построении внеклеточных структур. У всех эукариотических клеток от низших грибов до позвоночных всегда имеется ядро, сходное по построению у разных организмов. Строение и функции внутриклеточных структур также в принципе определяется гомологичностью общеклеточных функций (синтез нуклеиновых кислот и белков, процессы энергетического обмена).

Одновременно мы видим и разнообразие клеток даже в пределах одного многоклеточного организма. Гистологи выделяют в организме человека более 200 типов клеток. Например, по форме мало похожи друг на друга такие клетки, как мышечная и нервная. В мышечной клетке кроме общеклеточных структур (мембранные системы ЭПС, аппарат Гольджи, рибосомы и др.) находятся миофиломенты, выполняющие сократительную функцию. В нервной клетке выделяют тигроид - мощно развитую эндоплазматическую сеть, большое количество нейротрубочек и нейрофиламентов, а также межклеточные контакты - синапсы. Вся совокупность этих отличительных черт нервной клетки связана с ее специализацией – передачей нервного импульса. Структурное разнообразие клеток многоклеточного организма можно объяснить отличием их специальных функций, осуществляющихся данной клеткой. Таким образом, гомологичность в строении клеток определяется сходством общеклеточных функций, направленных на поддержание жизни самих клеток и на их размножение. Разнообразие же в строении клеток многоклеточных – результат функциональной специализации.

4. Клетка от клетки

Формулировка положения «Всякая клетка от клетки» (Omnis cellula e cellula) связана с именем знаменитого ученого Р. Вирхова, который как противник идеи о самозарождении жизни, настаивал на «преемственном размножении клеток». Сегодня сформулированное Р. Вирховым определение можно считать биологическим законом. Размножение клеток, прокариотических и эукариотических, происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала (редупликация ДНК).

У эукариотических клеток единственно полноценным способом деления является митоз (или мейоз при образовании половых клеток). При этом образуется специальный аппарат клеточного деления – клеточное веретено, с помощью которого равномерно и точно по двум дочерним клеткам распределяются хромосомы. Этот тип деления наблюдается у растительных и животных клеток. Прокариотические клетки, делящиеся так называемым бинарным образом, также используют специальный аппарат разделения клеток, значительно напоминающий митотический способ деления эукариот.

5. Клетки и многоклеточный организм

Теодор Шванн представлял себе многогранную деятельность организма как сумму жизнедеятельности отдельных клеток. Это представление было в свое время принято и расширено Р. Вирховым и получило название теории «клеточного государства». Вирхов писал: «…всякое тело, сколько-нибудь значительного объема, представляет устройство, подобное общественному, где множество отдельных существований поставлено в зависимость друг от друга, но так, однако же, что каждое из них имеет свою собственную деятельность, и если побуждение к этой деятельности оно и получает от других частей, зато самою работу свою оно совершает собственными силами» (1859).

Действительно, какую бы сторону деятельности целого организма мы ни брали, будь то реакция на раздражение или движение, иммунные реакции, выделение и многое другое, каждая из них осуществляется специализированными клетками. Клетка – это единица функционирования в многоклеточном организме. Но клетки объединены в функциональные системы, в ткани и органы, которые находятся во взаимной связи друг с другом. Многоклеточные организмы представляют собой сложные ансамбли клеток, объединенные в системы тканей и органов, подчиненные и связанные межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции. Вот почему мы говорим об организме как о целом.

Таким образом можно сказать, что клетка в многоклеточном организме – это единица функции и развития. Кроме того, основой всех нормальных и патологических реакций организма является клетка. Например, когда в организм попадают чужеродные белки (бактериальные), развивается иммунная реакция. При этом в крови появляются белки-антитела, которые связываются с чужими белками и их обезвреживают. Эти антитела образуются особыми клетками - плазмоцитами. Но чтобы плазмоциты начали вырабатывать антитела, необходимо взаимодействие лимфоцитов и макрофагов.

Жизнь нового организма начинается с зиготы, получившейся в результате слияния женской половой клетки (ооцита) со спермием. Рост организма, увеличение его массы есть результат размножения клеток и результат выработки ими разнообразных продуктов (например, вещества кости или хряща).

И наконец, именно поражение клеток или изменение их свойств является основой для развития всех без исключения заболеваний. Данное положение было впервые сформулировано Р. Вирховым (1858) в его знаменитой книге «Клеточная патология». Классическим примером клеточной обусловленности развития болезни может служить сахарный диабет, широко распространенное заболевание современности. Его причина - недостаточность функционирования лишь одной группы клеток, так называемых В-клеток островков Лангерганса в поджелудочной железе. Эти клетки вырабатывают гормон инсулин, участвующий в регуляции сахарного обмена организма.

6. Тотипотентность клеток

Как же возникают разнообразные типы клеток в многоклеточных организмах? Современная биология на базе представлений эмбриологии, молекулярной биологии и генетики считает, что индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного зрелого организма - это результат последовательного, избирательного включения работы разных генов. Это приводит к появлению клеток со специфическими для них структурами и особыми функциями, т.е. к процессу, называемому дифференцировкой.

Любая клетка многоклеточного организма обладает одинаковым набором генов и всеми возможными потенциями для их проявления, но в разных клетках одни и те же гены могут находиться или в активном или в репрессированном состоянии. Эти представления базируются на большом экспериментальном материале. Стало возможным вырастить зрелое растение из одной его соматической клетки. Общим законом для многоклеточных растительных и животных организмов является то, что, несмотря на структурные и функциональные различия клеток данного организма, в генетическом отношении, они однородны, тождественны и тотипотентны.

1.3. Методы клеточной биологии

Цитология возникла как ветвь микроанатомии, и поэтому одним из основных методов, который используют цитологи, - это метод световой микроскопии. Революционным моментом в развитии современной цитологии и биологии вообще было применение электронной микроскопии, открывшей необычайно широкие перспективы. С введением электронной микроскопии в ряде случаев уже трудно провести границу между собственно цитологией и биохимией, они объединяются на уровне макромолекулярного изучения объектов (например, микротрубочек, мембран, микрофиламентов и т.д.)..

1.3.1. Световая микроскопия

Световой микроскоп, главный прибор биологии, представляет собой оптическую систему, состоящую из конденсора, объектива и окуляра. Пучок света от источника освещения собирается в конденсоре и направляется на объект. Пройдя через объект, лучи света попадают в систему линз объектива; они строят первичное изображение, которое увеличивается с помощью линз окуляра. Главная оптическая часть микроскопа, определяющая его основные возможности - объектив. В современных микроскопах объективы сменные, что позволяет изучать клетки при разных увеличениях. Главной характеристикой микроскопа как оптической системы является разрешающая способность.

Но все же в световом микроскопе можно видеть частицы меньшей величины, чем 0,2 мкм. Это метод «темного поля», или, как его называли раньше, метод «ультрамикроскопии». Суть его в том, что подобно пылинкам в луче света (эффект Тиндаля), в клетке при боковом освещении светятся мельчайшие частицы (меньше 0,2 мкм), отраженный свет от которых попадает в объектив микроскопа. Этот метод успешно применяется при изучении живых клеток.

Если же необработанные живые или мертвые клетки рассматривать в проходящем свете, то в них различаются только крупные детали из-за того, что они обладают иным коэффициентом преломления и поглощения световых лучей, чем окружающая среда. Большая же часть клеточных компонентов мало отличается по этим свойствам как от среды (воды или тканевых растворов), так и друг от друга и поэтому мало заметны и не контрастны. Для их изучения применяют особые методы и приборы. Один из таких приемов – метод фазово-контрастной микроскопии, широко использующийся для наблюдений за живыми клетками. Он основан на том, что отдельные участки прозрачной в общем клетки хоть мало, но все же отличаются друг от друга по плотности и по светопреломлению. Проходя через них, свет изменяет свою фазу, однако такое изменение фазы световой волны наш глаз не улавливает, так как он чувствителен только к изменению интенсивности света. В фазово-контрастном микроскопе в объектив вмонтирована специальная пластинка, проходя через которую, луч света испытывает дополнительный сдвиг фазы колебаний. При построении изображения взаимодействуют уже лучи, находящиеся в одной фазе либо в противофазе, но обладающие разной амплитудой - тем самым создается светло-темное контрастное изображение объекта.

1.3.2. Витальное (прижизненное) изучение клеток Световой микроскоп позволяет видеть живые клетки. Для кратковременного наблюдения клетки помещают просто в жидкую среду на предметное стекло; если нужно длительное наблюдение за клетками, то используются специальные камеры. Это или плоские флаконы с отверстиями, закрытыми тонкими стеклами, или же разборные плоские камеры. В качестве объектов можно использовать свободноживущие клетки простейших и других одноклеточных организмов, клетки крови или же разобщенные тканевые клетки многоклеточных организмов как животного, так и растительного происхождения.

Для изучения клеток органов и тканей животных используют метод клеточных культур. Более простой вариант этого метода заключается в том, что в камеру, наполненную питательной средой, помещают небольшой кусочек живой ткани. Через некоторое время на периферии такого кусочка начинается деление и рост клеток. В другом случае вырезанный кусочек ткани слегка обрабатывают раствором фермента трипсина, что приводит к полному разделению клеток друг от друга. Затем такую взвесь отмытых клеток помещают в сосуд с питательной средой, где они опускаются на дно, прикрепляются к стеклу и начинают размножаться, образуя сначала колонии, а затем - сплошной клеточный пласт. Так растут однослойные клеточные культуры, очень удобные для прижизненных наблюдений.

При культивировании клеток вне организма кроме смены среды важно поддерживать и необходимую температуру (20^о для хладнокровных животных и 37^о - для теплокровных). Обязательным условием культивирования клеток является соблюдение стерильности. Существует целый ряд длительно культивируемых клеток - это специальные клеточные штаммы, приспособившиеся десятилетиями к росту вне организма. Большей частью это клетки опухолевого происхождения или значительно измененные клетки, которые приобрели свойства опухолевых клеток. Наблюдения за живыми клетками обычно регистрируются в виде фотографий, сделанных с помощью специальных фотонасадок к микроскопу. Живые клетки можно снимать и на кинопленку. С развитием компьютерных технологий с помощью специальных телекамер стало возможно получать изображение клеток прямо на мониторе компьютера, записывать их в памяти компьютера, всячески обрабатывать и получать отпечатки на принтерах цветных или черно-белых.

При исследовании живых клеток используют методы микрохирургии - оперативного воздействия на клетки. С помощью прибора микроманипулятора клетки разрезают, извлекают из них части, вводят различные вещества и т.д. Микроманипулятор совмещается с обычным микроскопом, в который наблюдают за ходом операции. Микрохирургическими инструментами служат стеклянные крючки, иглы, капилляры, которые имеют микроскопические размеры.

При изучении живых клеток широко используют флуоресцирующие красители и метод флуоресцентной микроскопии. Суть его заключается в том, что целый ряд веществ обладает способностью светиться (флуоресцировать, люминесцировать) при поглощении ими световой энергии. Можно применять метод флуоресцентной микроскопии, добавляя живым клеткам флуоресцирующие вещества – флуорохромы, которые избирательно связываются с определенными структурами клетки, вызывая их люминесценцию.

В

Рис. 6 Люминесцирующие бактерии 
(иммунофлюоресценция).

Рис. 7 Срез ткани, флуорохромированный акридиновым оранжевым.

последнее время начинает широко использоваться для изучения живых клеток или их компонентов сочетание световой микроскопии (особенно фазовоконтрастной) с электронно-компьютерной обработкой изображения. При этом используется видеозапись с электронной обработкой изображения, которая как бы «убирает» фоновые уровни и выделяет, контрастирует наблюдаемые структуры. Такая методика позволяет на телеэкране видеть такие структуры как микротрубочки, размер которых (20 нм) намного меньше разрешающей силы светового микроскопа.

Обычные методы световой микроскопии трудно использовать для воспроизведения трехмерной картины изучаемого объекта из-за небольшой глубины резкости микроскопа. Обычно клетки рассматриваются как оптические разрезы на данной глубине фокуса. Для того, чтобы получить полную трехмерную реконструкцию объекта используют специальный сканирующий световой микроскоп. С помощью этого прибора получают серии последовательных оптических срезов, взятых с различной глубины и изображения которых накапливаются в компьютере, и по специальной программе реконструируется трехмерное изображение объекта.

1.3.3 Изучение фиксированных клеток Несмотря на важность и достаточную простоту витальных наблюдений, большая часть сведений о структуре и свойствах клеток получена на фиксированном материале. Если клетку повредить, она начинает претерпевать ряд изменений, а после смерти клетки в ней активируются аутолитические ферменты, что приводит к грубым изменениям клеточной структуры. Следовательно, первым этапом в обработке кусочков, вырезанных из различных органов и тканей для микроскопических исследований, является фиксация. Фиксация предпринимается для сохранения тканей и органов в таком виде, в каком они были в живом организме к моменту смерти, т.е. фиксация имеет целью закрепление тканевых структур. Вещества, применяемые при фиксации, называются фиксаторами. Часто для фиксации используются альдегиды и их смеси с другими веществами. В качестве фиксаторов применяют также спирты, вызывающие необратимую денатурацию белков, осаждение нуклеиновых кислот и полисахаридов. Осаждающим действием обладают также фиксаторы, содержащие сулему или пикриновую кислоту. После фиксации объекты в дальнейшем можно подвергать дополнительной обработке. Одной из главных таких обработок является окрашивание клеток. Именно дополнительное окрашивание клеток позволило выявить в них массу ультраструктурных деталей.

Стекла с фиксированными мазками одноклеточных организмов или с клетками культуры ткани можно непосредственно помещать в красители. Но для окрашивания клеток в составе органов необходимо получить их срезы. Изучают такие срезы и отдельных клеток.

Для этого после фиксации кусочки органов обезвоживают в спиртах возрастающей концентрации, затем спирт замещают ксилолом, а ксилол – парафином. Таким образом, фиксированная ткань оказывается заключенной в твердую массу парафина, которую можно нарезать.

Срезы толщиной до 5-10 мкм получают на специальном приборе – микротоме. Такие срезы приклеиваются на предметное стекло. Затем парафин среза растворяется в ксилоле, ксилол удаляется спиртами, которые замещаются водой. Теперь срезы можно окрашивать водными растворами красителей. Для изготовления постоянных препаратов окрашенные срезы снова обезвоживают и заключают в канадский бальзам под покровным стеклом. Такие препараты можно длительно хранить.

Для окраски фиксированных тканей и клеток применяют различные натуральные и синтетические красители. Натуральные красители (гематоксилин, кармин и др.) употребляют в сочетании с протравами (окислы различных металлов), с которыми они образуют комплексные соединения.

Красители подразделяют на кислые и основные. Основные красители представляют собой красящие основания или их соли. Такие красители образуют химические связи с кислотными группами в структурах клетки. Следовательно, участки клеток, богатые кислотными группами, которые свяжутся с основными красителями, будут базофильными.

К
ислотные красители связываются с основными (щелочными) структурами клетки, следовательно, эти структуры проявляют ацидофилию или оксифилию. Существует множество смесей таких красителей, которые одновременно могут окрашивать различные участки клеток в разные цвета и тем самым повышать контрастность клеточных и внеклеточных компонентов. Таким образом, используя всевозможные красители, исследователи не только добиваются четкости морфологической картины клетки, но получают некоторые сведения о химизме той или иной структуры.

Ряд методов, направленных на выявление специфических химических веществ в клетке, получил название гистохимических и цитохимических. Методов цитохимического анализа очень много. Примером такого рода цитохимических реакций может быть широко применяемая реакция на ДНК - реакция Фёльгена. Также специфически можно определить локализацию белков реакциями на отдельные аминокислоты (тирозин, триптофан, аргинин и др.). Липиды и жиры обнаруживают в клетках специальными красителями (например, судан черный), хорошо растворяющимися и аккумулирующимися в жировых включениях. Целая группа цитохимических реакций связана с обнаружением ферментов. Общий принцип этих реакций в том, что в микроскоп видны не сами белковые ферменты, а места их локализации, которые обнаруживаются по продуктам их ферментативной активности.

Для выяснения локализации мест синтеза биополимеров, для определения путей переноса веществ в клетке, для наблюдения за миграцией или свойствами отельных клеток широко используют метод радиоавтографии - регистрации веществ, меченных изотопами. При радиоавтографическом исследовании клеткам в среду вводится предшественник одного из макромолекулярных соединений (например, аминокислота или нуклеотид), один из атомов которого замещен радиоактивным изотопом. Например, вместо ¹²С введен атом ¹⁴С, вместо водорода – тритий ³Н и др. В процессе синтеза в биополимер включится и меченная молекула предшественника. Регистрировать ее место в клетке можно с помощью фотоэмульсии. Если клетки в пласте или на срезе покрыть фотоэмульсией, то через некоторое время в результате распада изотопа – частицы, разлетающиеся хаотично в разных направлениях, попадут в зону чувствительного фотослоя и активируют в нем зерна бромистого серебра. Метод радиоавтографии – один из основных методов, позволяющих изучать динамику синтетических процессов, сравнить их интенсивность в разных клетках на одном и том же препарате.

1.3.4 Электронная микроскопия Рассматривая характеристики светового микроскопа, можно убедиться, что единственным путем увеличения разрешения оптической системы будет использование источника освещения, испускающего волны с наименьшей длиной. Таким источником может быть раскаленная нить, которая в электрическом поле выбрасывает поток электронов. Последний можно фокусировать, пропуская через магнитное поле. Это послужило основой для создания электронного микроскопа, в котором уже сейчас достигнуто разрешение в 0,1 нм. По принципу конструкции электронный микроскоп очень сходен с оптическим: в нем есть источник освещения (катод электронной пушки), конденсорная система (конденсорная магнитная линза), объектив (объективная магнитная линза), окуляр (проекционные магнитные линзы), только вместо сетчатки глаза электроны попадают на люминесцирующий экран или на фотопластинку.

Основная часть такого микроскопа представляет собой полый цилиндр (колонка микроскопа), из которого откачан воздух для того, чтобы не было взаимодействия электронов с молекулами газов и окисления вольфрамовой нити накаливания в катоде электронной пушки. Между катодом и анодом подается высокое напряжение (от 50 до 200-5000 кВ), что служит причиной ускорения электронов. В центре анода есть отверстие, проходя через которое, электроны формируют пучок, идущий вниз по колонке микроскопа. Линзы электронного микроскопа представляют собой электромагниты, поле которых может изменять путь электронов (как стеклянные линзы изменяют путь фотонов). В конденсорной линзе пучок электронов фиксируется и попадает на объект, с которым электроны взаимодействуют, отклоняются, рассеиваются, поглощаются или проходят без изменения. Электроны, прошедшие через объект, фокусируются объективной линзой, которая формирует увеличенное первичное изображение объекта. Так же как в световом микроскопе, объективная линза определяет его основные показатели. Первичное изображение увеличивается проекционной линзой и проецируется на экран, покрытый люминесцентным слоем, светящимся при попадании на него электронов. Вместо светящегося экрана изображение можно поместить на фотопластинку и получить снимок. На экранах и фотопластинках электронных микроскопов получают увеличение до 50 000 раз, в дальнейшем при фотопечати можно получить еще 10-кратное увеличение, так что конечное увеличение, при котором максимально реализуется разрешение, достигает 10⁶ раз.

Для изучения структуры различных мембранных компонентов клетки используется метод замораживания–скалывания. Он заключается в том, что объект сначала быстро замораживают жидким азотом, а затем при той же температуре переносят в специальную вакуумную установку. Там замороженный объект механическим способом скалывается охлажденным ножом. При этом обнажаются внутренние зоны замороженных клеток. В вакууме часть воды, перешедшей в стекловидную форму, возгоняется («травление»), а поверхность скола последовательно покрывается тонким слоем испаренного углерода, а затем металла. Таким образом с замороженного и сохраняющего прижизненную структуру материала получают реплику с его скола. Затем уже в условиях комнатной температуры ткань или клетки растворяют в кислотах, но пленка-реплика при этом остается цела, ее изучают в электронном микроскопе. Этот метод имеет два преимущества: изучают реплики со сколов нативных образцов и исследуют рельеф поверхности мембран клетки, что недостижимо другими методами. Оказалось, что и в этом случае общая организация клетки и ее компонентов сходна с тем, что мы видим при химической фиксации или при криотомии. Этот метод позволил увидеть, что как на поверхности, так и в толщине клеточных мембран располагаются глобулы интегральных белков, что мембраны не однородны по своей структуре.

Метод получения реплик с микрорельефа образца широко применяется при изучении фибриллярных компонентов клетки.

Метод сканирующей электронной микроскопии позволяет изучать трехмерную картину поверхности клетки. При сканирующей электронной микроскопии тонкий пучок электронов пробегает по поверхности объекта и полученная информация передается на электронно-лучевую трубку. Изображение может быть получено в отраженных или вторичных электронах. При этом методе фиксированный и специальным образом высушенный объект покрывается тонким слоем испаренного металла (чаще всего золота), отражаясь от которого электроны попадают в приемное устройство, передающее сигнал на электронно-лучевую трубку. Благодаря огромной глубине фокуса сканирующего микроскопа, которая значительно больше, чем у просвечивающего, получается почти трехмерное изображение исследуемой поверхности. Разрешающая способность этого типа приборов несколько ниже, чем у просвечивающих электронных микроскопов, но уже сейчас выпускаются приборы с разрешением 3-5 нм .

1.3.5 Фракционирование клеток В цитологии широко применяют различные методы биохимии, как аналитические, так и препаративные. В последнем случае можно получить в виде отдельных фракций разнообразные компоненты и изучать их химический состав, ультраструктуру и свойства. Так, в настоящее время в виде чистых фракций получают практически любые клеточные органеллы и структуры: ядра, ядрышки, хроматин, ядерные оболочки, плазматическую мембрану, вакуоли эндоплазматической сети, его рибосомы, рибосомы гиалоплазмы, комплекса Гольджи, митохондрии, их мембраны, пластиды, пероксисомы, микротрубочки и т.д. В последнее время получены чистые фракции центриолей и ядерных пор.

Получение клеточных фракций начинается с общего разрушения клетки. Затем из гомогенатов уже можно выделять фракции. Одним из основных способов выделения клеточных структур является центрифугирование. Его принцип применения в том, что время для осаждения частиц в гомогенате зависит от их размера и плотности: чем больше частица или чем она тяжелее, тем быстрее она осядет на дно пробирки. При центрифугировании раньше всего осядут ядра и не разрушенные клетки, затем осядут крупные частицы, состоящие из митохондрий, мелких пластид, пероксисом, лизосом.

Прежде чем их анализировать биохимическими способами полученные фракции, их необходимо проверить на чистоту с помощью электронного микроскопа.

1.3.5. Методы генной и клеточной инженерии

Большой вклад в биологию клетки вносят методы клеточной инженерии. Было найдено, что различные живые клетки могут сливаться друг с другом, если специальными способами обработать их плазматические мембраны. Так можно слить эритроцит курицы и лимфоцит человека. При этом получается двуядерная клетка, гетерокарион, в котором происходит активация ядра куриного эритроцита. Если гетерокарион образуется из близкородственных клеток (например, мыши и хомячки), то при вступлении их в митоз хромосомы могут объединиться в одну метафазную пластинку. После разделения такой клетки получится истинно гибридная клетка. Другие приемы позволяют конструировать клетки из разных по происхождению ядер и цитоплазмы. Так, разрушив актиновый компонент цитоскелета и подвергнув клетки центрифугированию, их можно разделить на две части: ядро с узким ободком цитоплазмы – кариопласт и на оставшуюся часть цитоплазмы – цитопласт. Затем, используя разные кариопласты и цитопласты, можно создавать разные комбинации реконструированных клеток.

Методы клеточной инженерии широко применяются не только в экспериментальной биологии, но и в биотехнологических целях. Например, при получении моноклональных антител используются клеточные гибриды между лимфоцитами иммунизированных животных и интенсивно размножающимися клетками миеломы. Полученные первичные дикарионы образуют истинные гибридные клетки, которые интенсивно размножаются за счет генома опухолевых миеломных клеток, и одновременно выделяют большое количество антител за счет работы генома иммунизированных лимфоцитов. Этот прием позволяет получать большое число гибридомных клеток, вырабатывающих большие количества необходимых антител.

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

Вопросы для обсуждения и размышления

1. Почему Ф. Энгельс в работе «Диалектика природы» назвал клеточную теорию одним из трех величайших открытий XIX века, написав: «Только со времени этого открытия стало на твердую почву исследование органических, живых продуктов природы – как сравнительная анатомия и физиология, так и эмбриология».

2. Какой смысл вкладывал Фридрих Энгельс в слова: «Покров тайны, окутавший процесс возникновения и роста и структуры организмов, был сорван. Непостижимое до этого времени чудо предстало в виде процесса, происходящего тождественному по существу для всех многоклеточных организмов закону».

3. Известный постулат Р.Вирхова гласит: «Каждая клетка происходит из клетки». Однако как в конце XIX, так и в XX веке некоторые ученые (М.Д.Лавровский, Н.П. Тишуткин, С.А. Усов и О.Б. Лепешинская) утверждали, что помимо клеток в составе организма существует живое вещество, способное к клеткообразованию. Можно ли согласиться с этой точкой зрения? Аргументируйте свою позицию.

4. Выпишите современную трактовку положений клеточной теории, постарайтесь к ним подобрать свои доказательства и примеры

5. Вспомните название и назначение отдельных частей светового микроскопа, сделайте подписи к рисунку.

6. Запомните правила микроскопии:

• Смотрите в микроскоп одним глазом, другой глаз не закрывайте.

• Одна рука на микрометрическом винте постоянно регулирует положение тубуса, что дает возможность рассмотреть всю толщу среза.

• Другой рукой устанавливается и передвигается препарат на столике микроскопа.

• С

  Рис 15. Световой микроскоп

  лева от микроскопа лежит тетрадь /альбом/ для зарисовки микропрепаратов.

• После окончания изучения препарата при большом увеличении, необходимо сменить большое увеличение на малое и только после этого снимать микропрепарат с предметного столика.

• Оставлять микроскоп нужно всегда с подготовленным к работе объективом малого увеличения.

Помните! Оптика микроскопа боится пыли, поэтому микроскоп хранится в зачехленном состоянии.

Темы учебно-исследовательских работ

1. Кто изобрел микроскоп?

2. Значение работ Рудольфа Вирхова для дальнейшего развития биологии и медицины.

3. Современные методы изучения морфофизиологии клетки (на выбор).

Дополнительная литература

1. Атлас сканирующей электронной микроскопии клеток, тканей и органов. / Под. Ред. Волоковой, В.А. Шахламова, А.А. Миронова – М.: Медицина, 1987

2. О.В. Быков В.Л. Цитология и общая гистология (функциональная морфология клеток и тканей человека). – СПб.: СОТИС, 1998.

3. . Леви А., Сикевиц Ф. Структура и функции клетки. – М.: Мир, 1971.

4. Меркулов Г.А. Курс патологогистологической техники. – Изд-во Медицина, Ленинградское отделение, 1969.

5. Ченцов Ю.С. Общая цитология. – М.: Изд-во МГУ, 1995

6. Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004

7. Щелкунов С.И. Клеточная теория и учение о тканях. – Медгиз, Ленинградское отделение, 1958.

Ответы к вводному тесту.

1. Обмен веществ, рост, размножение.

2. Образована целлюлозой

3. Кислород.

4. Хромосомы.

5. Перенесения неблагоприятных условий внешней среды.

6. хитин

7. 4

8. 1

9. 2

10. 4

11. 3

12. 2,4,5

25