Методы цитологии. Клеточная теория

 1. Тема и цель

Для изу­че­ния жиз­не­де­я­тель­но­сти и стро­е­ния клет­ки ис­поль­зу­ют раз­лич­ные под­хо­ды или ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния.

 2. Методы исследований морфологии и анатомии клеток. Использование оптических приборов

Раз­ре­ша­ю­щая спо­соб­ность че­ло­ве­че­ско­го глаза со­став­ля­ет 100 мик­ро­мет­ров (мик­рон). То есть, если вы на­чер­ти­те две линии на рас­сто­я­нии 100 мик­рон друг от друга и по­смот­ри­те на них, то эти две линии со­льют­ся в одну, а если вы по­ста­ви­те две точки на рас­сто­я­нии 100 мик­ро­мет­ров, эти две точки по­ка­жут­ся вам одной точ­кой. Раз­ме­ры кле­ток и кле­точ­ных ком­по­нен­тов опре­де­ля­ют­ся мик­ро­на­ми или до­ля­ми мик­рон. Для того чтобы уви­деть струк­ту­ру та­ко­го мас­шта­ба и раз­ме­ра, необ­хо­ди­мы оп­ти­че­ские при­бо­ры.

 3. Световой микроскоп

Ис­то­ри­че­ски сло­жи­лось, что пер­вым оп­ти­че­ским при­бо­ром был све­то­вой мик­ро­скоп (рис. 1).

Све­то­вой мик­ро­скопСве­то­вой мик­ро­скоп

Рис. 1. Све­то­вой мик­ро­скоп

Луч­ший све­то­вой мик­ро­скоп имеет раз­ре­ша­ю­щую спо­соб­ность около 0,2 мик­ро­мет­ров, то есть 200 на­но­мет­ров, что при­мер­но в 500 раз улуч­ша­ет воз­мож­но­сти че­ло­ве­че­ско­го глаза.

Пер­вые мик­ро­ско­пы были со­зда­ны в конце XVI в – на­ча­ле XVII века, а пер­вым че­ло­ве­ком, ко­то­рый ис­поль­зо­вал мик­ро­скоп для изу­че­ния живых объ­ек­тов, был Ро­берт Гук, это слу­чи­лось в 1665 году.

Он изу­чал рас­ти­тель­ные ткани и по­ка­зал, что проб­ка и дру­гие рас­ти­тель­ные ткани со­сто­ят из ячеек, раз­де­лен­ных пе­ре­го­род­ка­ми, эти ячей­ки он на­звал клет­ка­ми.

Све­то­вые мик­ро­ско­пы очень ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся и в на­сто­я­щее время, од­на­ко они имеют ряд недо­стат­ков. Одни из них за­клю­ча­ют­ся в том, что с по­мо­щью све­то­во­го мик­ро­ско­па невоз­мож­но уви­деть объ­ек­ты, раз­ме­ры ко­то­рых мень­ше длины све­то­вой волны – 400-800 на­но­мет­ров, по­сколь­ку све­то­вая волна не может быть от­ра­же­на таким объ­ек­том, а оги­ба­ет его.

 4. Электронный микроскоп

В на­ча­ле 30-х годов XX века был со­здан элек­трон­ный мик­ро­скоп (рис. 2), ко­то­рый давал био­ло­гам воз­мож­ность уви­деть объ­ек­ты раз­ме­ром 0,5 на­но­мет­ров.

По­че­му это про­изо­шло? По­то­му что фи­зи­ки пред­ло­жи­ли био­ло­гам ис­поль­зо­вать не све­то­вой луч, а поток элек­тро­нов, ко­то­рые могли уже от­ра­жать­ся от более мел­ких объ­ек­тов.

Срав­ни­тель­ная ха­рак­те­ри­сти­ка све­то­во­го (свер­ху) и элек­трон­но­го (снизу) мик­ро­ско­па

Рис. 2. Срав­ни­тель­ная ха­рак­те­ри­сти­ка све­то­во­го (свер­ху) и элек­трон­но­го (снизу) мик­ро­ско­па

На ри­сун­ке 2 пред­став­ле­ны ра­бо­чие диа­па­зо­ны све­то­во­го и элек­трон­но­го мик­ро­ско­пов. Как мы видим, кле­точ­ные ор­га­нел­лы и ви­ру­сы можно уви­деть толь­ко с по­мо­щью элек­трон­но­го мик­ро­ско­па.

В сущ­но­сти, прин­цип дей­ствия элек­трон­но­го мик­ро­ско­па такой же, как и у све­то­во­го, в ко­то­ром пучок све­то­вых лучей на­прав­ля­ет­ся лин­зой кон­ден­са­то­ра через об­ра­зец, а изоб­ра­же­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся с по­мо­щью си­сте­мы линз. В элек­трон­ном мик­ро­ско­пе опе­ра­тор сидит у пуль­та управ­ле­ния лицом к ко­лонне, по ко­то­рой про­хо­дит пучок элек­тро­нов (рис. 3).

 5. Принцип работы электронного микроскопа

Элек­трон­ный мик­ро­скоп пе­ре­вер­нут вверх дном по срав­не­нию со све­то­вым мик­ро­ско­пом. Здесь у элек­трон­но­го мик­ро­ско­па ис­точ­ник элек­тро­нов на­хо­дит­ся в верх­ней части ко­ло­ны, а сам об­ра­зец – внизу.

Прин­цип ра­бо­ты све­то­во­го мик­ро­ско­паПрин­цип ра­бо­ты элек­трон­но­го мик­ро­ско­па

Рис. 3. Прин­цип ра­бо­ты све­то­во­го (слева) и элек­трон­но­го (спра­ва) мик­ро­ско­па

На воль­фра­мо­вую нить на­ка­ла, на­хо­дя­щу­ю­ся в верх­ней части ко­лон­ны, по­да­ет­ся вы­со­кое на­пря­же­ние, и нить на­ка­ла из­лу­ча­ет пучок элек­тро­нов, чтоб сфо­ку­си­ро­вать эти элек­тро­ны, необ­хо­ди­мы элек­тро­маг­ни­ты.

Внут­ри ко­лон­ны со­зда­ет­ся глу­бо­кий ва­ку­ум, чтобы со­кра­тить до ми­ни­му­ма рас­се­и­ва­ние элек­тро­нов. В транс­мис­си­он­ном про­све­чи­ва­ю­щем мик­ро­ско­пе элек­тро­ны про­хо­дят через об­ра­зец, по­это­му сам об­ра­зец дол­жен быть очень тон­ким, иначе элек­тро­ны могут быть по­гло­ще­ны этим об­раз­цом, или рас­се­ют­ся. Прой­дя через об­ра­зец, элек­тро­ны фо­ку­си­ру­ют­ся до­ба­воч­ны­ми элек­тро­маг­нит­ны­ми лин­за­ми.

Элек­тро­ны неви­ди­мы для че­ло­ве­че­ско­го глаза, по­это­му они на­прав­ля­ют­ся на флу­о­рес­цент­ный экран, ко­то­рый вос­про­из­во­дит ви­ди­мые изоб­ра­же­ния или на фо­то­плен­ку. Так можно по­лу­чить по­сто­ян­ный фо­то­сни­мок – элек­трон­ную мик­ро­фо­то­гра­фию.

Для того что бы по­лу­чить объ­ем­ные изоб­ра­же­ния пред­ме­тов, ис­поль­зу­ют ска­ни­ру­ю­щий элек­трон­ный мик­ро­скоп (рис. 4).

ска­ни­ру­ю­щий элек­трон­ный мик­ро­ско­п

Объ­ем­ные изоб­ра­же­ния пыль­цы рас­те­ний, по­лу­чен­ные при по­мо­щи ска­ни­ру­ю­ще­го элек­трон­но­го мик­ро­ско­па

Рис. 4. Объ­ем­ные изоб­ра­же­ния пыль­цы рас­те­ний (спра­ва), по­лу­чен­ные при по­мо­щи ска­ни­ру­ю­ще­го элек­трон­но­го мик­ро­ско­па (слева)

В нем точно сфо­ку­си­ро­ван­ный пучок элек­тро­нов дви­жет­ся взад и впе­ред по по­верх­но­сти об­раз­ца, а от­ра­жен­ные от по­верх­но­сти элек­тро­ны со­би­ра­ют­ся и фор­ми­ру­ют изоб­ра­же­ние, на­по­до­бие того, ко­то­рое воз­ни­ка­ет на экране те­ле­ви­зо­ра.

С по­мо­щью элек­трон­но­го мик­ро­ско­па можно уви­деть толь­ко нежи­вые объ­ек­ты. Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в клет­ке, то есть живую клет­ку, можно на­блю­дать в мощ­ный све­то­вой мик­ро­скоп при за­мед­лен­ной ки­но­фо­то­съём­ке.

 6. Использование радиоактивной метки

Если тре­бу­ет­ся про­сле­дить за судь­бой ка­ко­го-ли­бо хи­ми­че­ско­го со­еди­не­ния в клет­ке, то можно за­ме­нить один из ато­мов в его мо­ле­ку­ле на ра­дио­ак­тив­ный изо­топ. Тогда эта мо­ле­ку­ла будет иметь ра­дио­ак­тив­ную метку, по ко­то­рой ее можно об­на­ру­жить с по­мо­щью счет­чи­ка ра­дио­ак­тив­ных ча­стиц или по спо­соб­но­сти за­све­чи­вать фо­то­плен­ку.

 7. Использование ультра центрифугирования

Для вы­де­ле­ния и изу­че­ния от­дель­ных ор­га­но­и­дов клет­ки ис­поль­зу­ет­ся метод уль­тра­цен­три­фу­ги­ро­ва­ния: раз­ру­шен­ные клет­ки в про­бир­ке вра­ща­ют­ся с очень боль­шой ско­ро­стью в цен­три­фу­гах. Так как раз­ные со­став­ные части кле­ток имеют раз­лич­ные массу, раз­ме­ры и плот­ность, то они под дей­стви­ем цен­тро­беж­ной силы осе­да­ют на дно с раз­ны­ми ско­ро­стя­ми. Таким об­ра­зом, изу­ча­ют ми­то­хон­дрии, ри­бо­со­мы и дру­гие ор­га­нел­лы.

Со­зда­те­ли кле­точ­ной тео­рии М. Шлей­ден и Т. ШваннСо­зда­те­ли кле­точ­ной тео­рии М. Шлей­ден и Т. Шванн

Рис. 5. Со­зда­те­ли кле­точ­ной тео­рии М. Шлей­ден и Т. Шванн

 8. Клеточная теория. История её возникновения

В XVIII – XIX веках ос­нов­ным ору­ди­ем ис­сле­до­ва­ния живых объ­ек­тов в руках био­ло­гов был све­то­вой мик­ро­скоп. В 1838 году вышла книга Мат­ти­а­са Шлей­де­на (рис. 5) «Ма­те­ри­а­лы к фи­ло­ге­не­зу», в ко­то­рой он по­ка­зал, что все рас­ти­тель­ные ткани со­сто­ят из кле­ток и рас­суж­дал о во­про­се про­ис­хож­де­ния кле­ток в живых ор­га­низ­мах, непо­сред­ствен­но в рас­ти­тель­ных ор­га­низ­мах. Ровно через год в 1839 году Тео­дор Шванн (рис. 5) опуб­ли­ко­вал свою книгу «Мик­ро­ско­пи­че­ские ис­сле­до­ва­ния о со­от­вет­ствии в струк­ту­ре, и росте жи­вот­ных и рас­те­ний» в ко­то­рой и были из­ло­же­ны пер­вые вер­сии кле­точ­ной тео­рии.

 9. Постулаты клеточной теории

Вот ос­нов­ные по­сту­ла­ты кле­точ­ной тео­рии:

1. Все живые су­ще­ства со­сто­ят из кле­ток.

2. Все клет­ки имеют сход­ное стро­е­ние, хи­ми­че­ский со­став и общие прин­ци­пы жиз­не­де­я­тель­но­сти.

3. Каж­дая клет­ка са­мо­сто­я­тель­на: де­я­тель­ность ор­га­низ­ма яв­ля­ет­ся сум­мой про­цес­сов жиз­не­де­я­тель­но­сти со­став­ля­ю­щих их ча­стей.

Несмот­ря на всю про­грес­сив­ность кле­точ­ной тео­рии, Шванн и Шлей­ден оши­боч­но по­ла­га­ли, что новые клет­ки по­яв­ля­ют­ся из вне­кле­точ­но­го ве­ще­ства, по­это­му су­ще­ствен­ным до­пол­не­ни­ем кле­точ­ной тео­рии был прин­цип Ру­доль­фа Вир­хо­ва (каж­дая клет­ка из клет­ки).

 10. Принцип Рудольфа Вирхова. Определение местоположения наследственной информации

Позд­нее Валь­тер Фле­минг опи­сал про­цесс де­ле­ния клет­ки – митоз. А Оскар Герт­виг и Эду­ард Страс­бур­гер неза­ви­си­мо друг от друга, на ос­но­ва­нии экс­пе­ри­мен­тов с од­но­кле­точ­ны­ми во­до­рос­ля­ми, при­шли к вы­во­ду, что на­след­ствен­ная ин­фор­ма­ция клет­ки за­клю­че­на в ядре.

 11. Современная клеточная теория

Таким об­ра­зом, ра­бо­та­ми мно­гих ис­сле­до­ва­те­лей была со­зда­на со­вре­мен­ная кле­точ­ная тео­рия, ко­то­рая имеет сле­ду­ю­щие по­ло­же­ния:

1. Клет­ка яв­ля­ет­ся уни­вер­саль­ной струк­тур­ной и функ­ци­о­наль­ной еди­ни­цей жи­во­го.

2. Все клет­ки имеют сход­ное стро­е­ние, хи­ми­че­ский со­став и общие прин­ци­пы жиз­не­де­я­тель­но­сти.

3. Клет­ки об­ра­зу­ют­ся толь­ко при де­ле­нии пред­ше­ству­ю­щих им кле­ток.

4. Клет­ки спо­соб­ны к са­мо­сто­я­тель­ной жиз­не­де­я­тель­но­сти, но в мно­го­кле­точ­ных ор­га­низ­мах их ра­бо­та ско­ор­ди­ни­ро­ва­на, и ор­га­низм пред­став­ля­ет собой це­лост­ную си­сте­му.

 12. История открытия микроскопа

Мик­ро­скоп и время. Ис­то­рия со­зда­ния мик­ро­ско­па не со­всем ясна, из­вест­но, что он по­явил­ся в конце XVI – в на­ча­ле XVII века, и одним из ма­сте­ров, ко­то­рый скон­стру­и­ро­вал мик­ро­скоп, был За­ха­рий Янсен, оч­ко­вый ма­стер (рис. 6).

Один из пер­вых из­го­то­ви­те­лей мик­ро­ско­пов, З. Янсен

Один из пер­вых из­го­то­ви­те­лей мик­ро­ско­пов, З. Янсен, и его тво­ре­ние

Рис. 6. Один из пер­вых из­го­то­ви­те­лей мик­ро­ско­пов, З. Янсен, и его тво­ре­ние

Дол­гое время он ис­поль­зо­вал­ся как иг­руш­ка, и даже Г. Га­ли­лей в 1619 году писал, что лю­бо­пыт­но смот­реть через мик­ро­скоп на муху раз­ме­ром в те­лен­ка, и толь­ко Ро­берт Гук в 1665 г. стал ис­поль­зо­вать мик­ро­скоп в на­уч­ных ис­сле­до­ва­ни­ях. Он рас­смат­ри­вал рас­ти­тель­ные ткани и клет­ки проб­ки, и таким об­ра­зом от­крыл клет­ки у рас­те­ний.

Р. Гук усо­вер­шен­ство­вал мик­ро­скоп (недо­стат­ком пер­вых мик­ро­ско­пов было пло­хое осве­ще­ние). С этой целью Гук сде­лал при­спо­соб­ле­ние, со­сто­я­щее из сферы, на­пол­нен­ной водой, или из плос­ко­вы­пук­лой линзы, фо­ку­си­ро­вав­шей сол­неч­ный свет. А в ве­чер­нее время Гук ис­поль­зо­вал све­тиль­ник, ко­то­рый был до­пол­ни­тель­ным ис­точ­ни­ком осве­ще­ния.

 

Последнее изменение: Пятница, 30 Март 2018, 15:00