Биология 10 класс (угл.) §5 «Методы изучения клетки«. Конспект по учебнику (УМК Теремов, Петросова). Цитаты из учебника использованы в учебных целях для семейного, заочного и дистанционного обучения.
ОГЛАВЛЕНИЕ вернуться к списку конспектов
Ключевые слова: Микроскопия, хроматография, электрофорез, метод меченых атомов, центрифугирование, метод культуры клеток и тканей, метод рекомбинантных ДНК.
§ 5. Методы изучения клетки
Рассмотрите рис. 19, 21—23. На чём основаны методы изучения клеток? Сравните между собой изображения клеток на рис. 18, 20, полученные с помощью различных микроскопов.
Для изучения клеток разработано множество методов, возможности которых соответствуют уровню современных исследований в этой области.
Микроскопия.
С помощью микроскопа изучают морфологию клетки (рис. 18). Микроскопическое изучение клетки, или микроскопия, была первым методом исследования клеточной структуры, однако только с появлением совершенных световых микроскопов в начале XIX в. удалось установить, что все ткани организмов имеют клеточное строение. Это и дало возможность сформулировать первую клеточную теорию.
Тем не менее разрешающая способность даже самого совершенного светового микроскопа ограниченна. Она составляет 0,25 мкм (2,5 • 10–7 м). С его помощью можно увидеть бактериальные клетки, митохондрии. Более мелкие объекты наблюдать уже невозможно. На смену световому микроскопу в середине XX в. пришёл электронный (рис. 19). Его создание позволило увеличить разрешающую способность до 2 нм (2 • 10–9 м). Для получения изображения в электронном микроскопе используют поток электронов, проходящий через объект и создающий изображение на фотоплёнке или экране. Это дало возможность рассмотреть ультраструктуру клетки.
Для проведения микроскопических исследований с помощью как светового, так и электронного микроскопов ткани обычно фиксируют с использованием специальных веществ, окрашивают, затем режут микроножом, который позволяет получить очень тонкие срезы. При изучении микроструктур, входящих в состав клетки, применяют также специальные флуоресцентные красители. В этом случае для работы используют флуоресцентный микроскоп.
Для изучения процессов жизнедеятельности, протекающих в живых клетках, применяют фазово-контрастный и интерференционный микроскопы со специфическими оптическими системами. Объёмное изображение клетки получают с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 20, 3).
Физико-химические методы. С помощью этих методов в цитологии изучают химический состав и жизнедеятельность клеток. Их применение позволило открыть и исследовать органические и неорганические вещества клетки, выявить их функции, а также проследить пути превращения в клетке. Наиболее важными биохимическими и физическими методами цитологии являются хроматография, электрофорез и метод меченых атомов.
Хроматография основана на разной скорости движения через адсорбент растворённых в специальном растворе веществ. При пропускании такого раствора через адсорбент каждое вещество из смеси передвигается на определённое расстояние в зависимости от своей молекулярной массы. Адсорбентами могут быть волокна фильтровальной бумаги, порошок целлюлозы и другие пористые вещества (рис. 21).
Близким к хроматографии является метод электрофореза в геле, где разделению смеси веществ в растворе способствует электрический ток. Методы хроматографии и электрофореза позволяют разделить смеси веществ, выделенные из клетки, определить их качественный и количественный состав (рис. 22).
Метод меченых атомов основан на введении радиоактивного изотопа какого-либо химического элемента в состав вещества для того, чтобы проследить путь его превращений в клетке.
Фракционирование клеточного содержимого.
Для разделения клеточных структур и макромолекул используют метод центрифугирования, который позволяет очистить макромолекулы, выделенные из клетки, разделить органоиды клетки (рис. 23). Для этого специальными способами разрушают и измельчают клетку.
Её содержимое распадается на отдельные фрагменты, при этом сохраняются целиком некоторые органоиды. Полученную смесь с помощью центрифуги разделяют на фракции, увеличивая каждый раз обороты центрифуги. Более тяжёлые клеточные фракции оседают на дно пробирки, более лёгкие собираются на её поверхности. Это даёт возможность изучать отдельно свойства и структуру каждого органоида или макромолекулы клетки.
Методы разделения клеток и их культивирования.
Для изучения живых клеток различных тканей их разделяют и выращивают в специальных сосудах. Применение методов культуры клеток и тканей позволяет изучать живые клетки под микроскопом, наблюдать за их ростом и размножением вне организма, выделять факторы роста, устанавливать влияние на них различных веществ, получать клеточные гибриды путём слияния целых клеток или их отдельных компонентов.
Метод рекомбинантных ДНК.
Для изучения тонких механизмов процессов, протекающих в клетке, в том числе функций генов, ДНК «вырезают» из клетки. Далее её встраивают в генетический аппарат бактерии или вируса и изучают его структуру, синтезируют новые гены, переносят их из эукариот-ных клеток в бактериальные и стимулируют их работу. Этот метод применяют в генной инженерии для изучения механизма наследственности, мутагенеза.
Вопросы и задания
- Какие микроскопы вам известны? Опишите принцип их действия.
- Сравните строение электронного и светового микроскопов (см. рис. 19). Что выполняет роль светового пучка в электронном микроскопе? Какой части светового микроскопа соответствуют проекционные линзы электронного микроскопа? В чём преимущества электронного микроскопа по сравнению со световым?
- Что такое разрешающая способность оптического прибора? От чего она зависит?
- Чем обусловлено количество клеточных структур, выявленных с помощью микроскопа: степенью увеличения, создаваемого микроскопом, или разрешающей способностью оптического прибора? Ответ поясните.
- На чём основаны методы хроматографии и электрофореза, используемые для изучения клетки? В чём их сходство? Каково их значение?
- Какими методами можно выделить органоиды клетки и изучить их строение? На каких свойствах основано фракционирование клеточных структур центрифугированием? Для ответа используйте рис. 23.
- Какое значение для цитологии имеет метод культуры клеток и тканей?
Дополнительная информация
Таблица 1. Из истории цитологии
| Дата | Изобретения и открытия в цитологии |
| 1590 г. | Братья Ганс и Захария Янсен (Jansen) изобрели микроскоп, в котором увеличение обеспечивалось соединением двух линз |
| 1665 г. | Роберт Гук (Hook), пользуясь усовершенствованным микроскопом, изучал строение пробки и впервые в труде «Микрография» употребил термин «клетка» (cellula) для описания структурных единиц, из которых состоит эта ткань. Он считал, что клетки пустые, а живое вещество — это клеточные стенки |
| 1650—1700 гг. | Антони ван Левенгук (Leeuwenhoek) при помощи простых, хорошо отшлифованных линз (х 300) наблюдал «зародыши» и различные одноклеточные организмы, в том числе бактерии. Впервые бактерии были описаны в 1676 г. |
| 1700—1800 гг. | Опубликовано много новых описаний и рисунков различных тканей, преимущественно растительных (впрочем, микроскоп в это время рассматривался главным образом как игрушка) |
| 1827 г. | Джон Долланд (Dolland) резко улучшил качество линз. После этого интерес к световой микроскопии как методу исследования клеток быстро возрос |
| 1831 г. | Роберт Броун (Brown) описал ядро как характерное сферическое тельце, обнаруживаемое в растительных клетках |
| 1838—1839 гг. | Теодор Шванн (Schwann) на основе своих исследований и работ Маттиаса Шлейдена (Schleiden) сформулировал клеточную теорию, которая постулировала, что основной структурно-функциональной единицей живого является клетка |
| 1840 г. | Ян Пуркинье (Purkinje) предложил название протоплазма для клеточного содержимого, убедившись в том, что именно оно (а не клеточные стенки) представляет собой живое вещество. Позднее был введён термин цитоплазма (цитоплазма + ядро = = протоплазма) |
| 1855 г. | Рудольф Вирхов (Virchow) показал, что все клетки образуются из других клеток путём клеточного деления |
| 1866 г. | Эрнст Геккель (Haeckel) установил, что хранение и передачу наследственных признаков осуществляет ядро |
| 1866—1888 гг. | Подробно изучено клеточное деление и описаны хромосомы |
| 1880—1883 гг. | Открыты пластиды, в частности хлоропласты |
| 1890 г. | Открыты митохондрии |
| 1898 г. | Открыт аппарат Гольджи |
| 1887—1900 гг. | Усовершенствован световой микроскоп, а также методы фиксации, окрашивания препаратов и приготовления срезов. Цитология приобретает экспериментальный характер. Ведутся эмбриологические исследования, чтобы выяснить, каким образом клетки взаимодействуют друг с другом в процессе роста многоклеточного организма. Одной из отраслей цитологии становится цитогенетика, занимающаяся изучением роли ядра в передаче наследственных признаков |
| 1900 г. | Вновь открыты законы Грегора Менделя (Mendel), что дало толчок развитию цитогенетики. Световой микроскоп почти достиг теоретического предела разрешения, в связи с чем развитие цитологии замедлилось |
| 1930-е гг. | Изобретён электронный микроскоп, обеспечивающий более высокое разрешение |
| с 1946 г. по настоящее время | Электронный микроскоп получил широкое распространение в биологии, предоставив возможность исследовать строение клетки гораздо более подробно. Это «тонкое» строение стали называть ультраструктурой клетки |
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2
Открытие клеточного строения организмов связано с изобретением светового микроскопа.
Данные о клеточном строении организмов обобщены в клеточной теории, согласно которой клетка является структурно-функциональной единицей живого и представляет собой элементарную биологическую систему.
Клетка может существовать в качестве отдельного одноклеточного организма, а также входить в состав тканей многоклеточных организмов. Клетки различны по форме, размеру, функциям, типу обмена веществ, вместе с тем между всеми клетками много общего.
Развитие науки о клетке — цитологии — связано с совершенствованием техники, оптической, люминесцентной, фазово-контрастной, электронной микроскопии, методов хроматографии, электрофореза, меченых атомов, дифференциального центрифугирования, культуры клеток и тканей и рекомбинантных ДНК, которые используют для изучения не только строения самой клетки, но и ультраструктуры её органоидов.
Темы докладов, рефератов и проектов
- История светового микроскопа.
- Современные методы электронной микроскопии.
- Техника приготовления микропрепаратов для работы с микроскопом.
- Физико-химические методы цитологических исследований.
- Метод культуры клеток и тканей и его значение для цитологии.
Вы смотрели: Биология 10 класс (Теремов). Конспекты по учебнику. Цитаты использованы в учебных целях.
Биология §5 Методы изучения клетки.