9. Цитологія — наука про клітини. Методи дослідження клітин

Коли ви вивчали біологію рослин і тварин, ви ознайомилися з методами, які вчені використовують для вивчення цих організмів. Пригадайте ці методи. З’ясуйте, чи є відмінності в методах вивчення рослин і тварин. Назвіть науки, які вивчають рослини і тварин. З курсу хімії 8 класу пригадайте, що таке ізотопи.

Відкриття та перші дослідження клітин

Клітину відкрив Роберт Гук — англійський фізик, який працював в Оксфордському університеті. Він удосконалив конструкцію мікроскопа й дослідив з його допомогою різні об’єкти, зокрема кору коркового дуба. Розглядаючи корок з допомогою мікроскопа, Гук побачив комірки (це були клітинні стінки), які нагадали йому монастирські келії, і назвав їх англійським словом cell («камера», «клітка», «клітина»). Свої дослідження він описав у статті 1665 р. Пізніше Гук спостерігав і описав клітини таких рослин, як бузина, кріп, морква тощо.

Наступний етап формування цитології як науки пов’язаний з голландцем Антоні ван Левенгуком (мал. 9.1), який працював наприкінці XVII — на початку XVIII ст. Він відкрив одноклітинні організми (першим побачив найпростіших), еритроцити, сперматозоїди та інші клітини.

Роберт Гук (1635-1703)

Антоні ван Левенгук (1632-1723)

Мал. 9.1. Перші дослідники клітин

Маттіас Шлейден (1804-1881)

Теодор Шванн (1810-1882)

Мал. 9.2. Автори клітинної теорії

Клітинна теорія та виникнення цитології

Протягом XVIII ст. суттєвих зрушень у науці щодо дослідження клітин не відбувалося через недосконалу конструкцію мікроскопів.

А от у XIX ст. ці прилади значно модернізували і до того ж винайшли методики забарвлення клітин. Це спричинило появу цілої низки відкриттів.

1827 року Карл Бер відкрив яйцеклітину ссавців. 1831 року Роберт Броун описав ядра рослинних клітин. У той самий період Маттіас Шлейден довів, що всі рослини складаються з клітин. І нарешті, 1839 року Теодор Шванн (мал. 9.2), порівнюючи клітини рослин і тварин і спираючись на висновки Шлейдена, сформулював клітинну теорію.

Основними положеннями цієї клітинної теорії були такі:

— Усі організми складаються з клітин або різними способами утворені з них.

— Клітина є найменшою одиницею живого, а цілий організм є сукупністю клітин.

— Ріст і розвиток рослин і тварин пов’язані з утворенням клітин.

1859 року Рудольф Вірхов довів, що клітини виникають лише з клітин-попередників. Це все зумовило виникнення наприкінці XIX ст. окремої науки про клітини — цитології.

У XX столітті розвиток цитології тривав. Цьому сприяла поява нових методів досліджень — спочатку електронної мікроскопії, а потім центрифугування й методів молекулярної біології.

Методи дослідження клітин

Методи дослідження клітин є тими самими, що й для інших біологічних систем. Через невеликі розміри самих клітин відрізняються тільки деякі особливості їх застосування.

Основні методи сучасної цитології:

Мал. 9.3. Мікроскопи

Метод мікроскопії полягає в тому, що клітини або їхні компоненти розглядають у збільшеному вигляді за допомогою спеціальних приладів — мікроскопів. Існує два основні типи мікроскопії — оптична й електронна (мал. 9.3). В оптичній мікроскопії для розглядання структур клітини використовують промені світла, а в електронній — пучки електронів.

Існує кілька видів оптичних мікроскопів (фазово-контрастний, люмінесцентний тощо) і два види електронних мікроскопів (просвічувальний і сканувальний).

Під час використання методу забарвлення клітини обробляють певними речовинами — барвниками. Ці речовини реагують тільки з деякими структурами клітин і забарвлюють їх. Відтак ці структури набагато легше бачити й вивчати.

Метод мікротомування полягає в тому, що через клітини роблять дуже тоненькі зрізи й потім вивчають їх за допомогою мікроскопа.

Під час центрифугування клітини спочатку руйнують, а потім поміщають у пробірки зі спеціальним розчином і крутять на центрифугах (мал. 9.4). Під дією відцентрової сили компоненти клітини концентруються в різних місцях пробірки. Після цього їх можна вивчати окремо одне від одного.

Метод мічених атомів передбачає введення в живі клітини радіоактивних ізотопів певних атомів. Переміщення цих атомів у клітині можна спостерігати за допомогою спеціальних приладів. Таким чином відстежують перебіг біохімічних реакцій.

Мал. 9.4. Прилади для дослідження клітин

Методи дослідження клітин

Метод досліджень

Прилади та засоби, які використовують

Результати використання методу

Бінокуляр, фазово-контрастний, люмінесцентний мікроскопи тощо

Метод дозволяє досліджувати форму й розміри клітин, найбільші клітинні структури, органели руху, капсули та слизові шари

Трансмісійний електронний мікроскоп, сканувальний електронний мікроскоп

Метод дозволяє досліджувати ультраструктуру клітин і всі їхні органели, поверхневі структури клітин і міжклітинні контакти

Барвники та фіксуючі речовини

Метод дозволяє диференційно забарвлювати окремі структури або клітину в цілому для одержання якісного зображення під час мікроскопіювання

Метод дозволяє виготовити ультратонкі препарати для їх дослідження з допомогою всіх різновидів світлового та трансмісійного електронного мікроскопів

Метод дозволяє розділити вміст клітин на фракції за формою та розміром окремих компонентів для подальшого окремого дослідження кожної з фракцій

Радіоактивні ізотопи, прилади для радіоавтографії

Метод дозволяє відстежити шлях речовин усередині клітини, механізми обміну речовин, дослідити функції окремих органел

Клітини живих організмів було відкрито в XVII ст. У XIX ст. Маттіас Шлейден і Теодор Шванн сформулювали клітинну теорію. Вивченням клітин займається окрема наука — цитологія. Основними методами вивчення клітин є мікроскопія (оптична й електронна), забарвлення клітин, мікротомування, центрифугування та метод мічених атомів.

Перевірте свої знання

1. Коли було відкрито клітини? Хто зробив це відкриття? 2. Які методи використовують для дослідження клітин? 3. Які історичні етапи дослідження клітин ви можете виділити? 4. Порівняйте оптичну й електронну мікроскопію. Поясніть, які переваги й недоліки вони мають. 5*. Якщо вам доведеться вивчати ядра клітин у різних організмів, які методи ви будете використовувати?

Що таке клітинна біологія?

Клітинна біологія — субдисципліна біології , яка вивчає основну одиницю життя — клітину . Він стосується всіх аспектів клітини, включаючи клітинну анатомію, клітинний поділ ( мітоз і мейоз ) і клітинні процеси, включаючи клітинне дихання та клітинну смерть . Клітинна біологія не є окремою дисципліною, а тісно пов’язана з іншими галузями біології, такими як генетика , молекулярна біологія та біохімія.

Ключові висновки

• Як випливає з назви, клітинна біологія займається вивченням клітини, основної одиниці життя.
• Існує два типи клітин: прокаріотичні та еукаріотичні клітини. Прокаріоти не мають визначеного ядра, тоді як еукаріоти мають.
• Винахід мікроскопа став ключовим у здатності вчених правильно вивчати клітини.
• Для тих, хто вивчав клітинну біологію, відкрита низка кар’єрних шляхів, таких як клінічний дослідник, лікар або фармаколог.
• У клітинній біології відбулося багато важливих подій. Від опису пробкової клітини Гуком у 1655 році до індукованих плюрипотентних стовбурових клітин, клітинна біологія продовжує захоплювати вчених.

Виходячи з одного з основних принципів біології , клітинної теорії , вивчення клітин було б неможливим без винаходу мікроскопа . За допомогою сучасних мікроскопів, таких як скануючий електронний мікроскоп і трансмісійний електронний мікроскоп, клітинні біологи можуть отримувати детальні зображення найдрібніших клітинних структур і органел .

Що таке клітини?

Усі живі організми складаються з клітин . Деякі організми складаються з клітин, кількість яких обчислюється трильйонами. Існує два основних типи клітин: еукаріотичні та прокаріотичні клітини. Еукаріотичні клітини мають певне ядро, тоді як прокаріотичне ядро ​​не визначене і не міститься в мембрані. Хоча всі організми складаються з клітин, ці клітини відрізняються між організмами. Деякі з цих відмінних характеристик включають клітинну структуру, розмір, форму та вміст органел . Наприклад, клітини тварин , клітини бактерій і клітини рослин мають схожість, але вони також помітно відрізняються. Клітини мають різні способи розмноження. Деякі з цих методів включають: бінарне поділ, мітоз і мейоз . Клітини містять генетичний матеріал організмів ( ДНК ), який забезпечує інструкції для всієї клітинної діяльності.

Чому клітини рухаються?

Рух клітини необхідний для виконання низки функцій клітини. Деякі з цих функцій включають поділ клітин, визначення форми клітин, боротьбу з інфекційними агентами та відновлення тканин . Внутрішній рух клітини необхідний для транспортування речовин у клітину та з неї, а також для переміщення органел під час поділу клітини.

Кар’єра в клітинній біології

Дослідження в галузі клітинної біології може призвести до різних кар’єрних шляхів. Багато клітинних біологів є дослідниками, які працюють у промислових або академічних лабораторіях. Інші можливості включають:

• Спеціаліст з клітинних культур
• Аудитор клінічної якості
• Клінічний дослідник
• Інспектор з харчових продуктів і медикаментів
• Промисловий гігієніст
• Лікар
• Медичний ілюстратор
• Медичний письменник
• патологоанатом
• Фармаколог
• фізіолог
• професор
• Спеціаліст з контролю якості
• Технічний письменник
• ветеринарний лікар

Визначні події клітинної біології

Протягом історії було кілька важливих подій, які призвели до розвитку галузі клітинної біології, як вона існує сьогодні. Нижче наведено деякі з цих основних подій:

• 1655 – Роберт Гук дає перший опис клітини пробкового дерева.
• 1674 – Левенгук розглядає найпростіших.
• 1683 – Левенгук розглядає бактерії .
• 1831 – Роберт Браун першим визначив ядро ​​як важливий компонент клітини .
• 1838 – Шлейден і Шванн представляють те, що згодом стане клітинною теорією .
• 1857 – Коллікер описує мітохондрії .
• 1869 – Мішер вперше виділив ДНК .
• 1882 – Кок ідентифікує бактерії.
• 1898 – Гольджі відкриває апарат Гольджі .
• 1931 – Руска будує перший трансмісійний електронний мікроскоп.
• 1953 – Уотсон і Крік пропонують структуру подвійної спіралі ДНК .
• 1965 – Випущено перший комерційний скануючий електронний мікроскоп.
• 1997 – Перша клонована вівця .
• 1998 – Клоновані миші.
• 2003 — Завершено проект послідовності ДНК геному людини.
• 2006 – клітини шкіри дорослих мишей перепрограмовані в індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (iPS).
• 2010 – Нейрони , серцевий м’яз і клітини крові створені безпосередньо з перепрограмованих дорослих клітин.

Типи клітин

Організм людини має безліч різних типів клітин . Ці клітини відрізняються за структурою та функціями та відповідають ролям, які вони виконують в організмі. Приклади клітин в організмі включають: стовбурові клітини , статеві клітини , клітини крові , жирові клітини та ракові клітини .

Дізнайтеся про різні типи клітин: прокаріотичні та еукаріотичні

Земля утворилася приблизно 4,6 мільярда років тому. Протягом дуже тривалого періоду історії Землі існувало дуже вороже та вулканічне середовище. Важко уявити життєздатне життя в таких умовах. Життя почало формуватися лише в кінці докембрійської ери геологічної шкали часу .

Існує кілька теорій про те, як на Землі з’явилося життя. Ці теорії включають утворення органічних молекул у тому, що відомо як «Первинний бульйон» , життя, що приходить на Землю на астероїдах (теорія панспермії) , або перші примітивні клітини, що утворюються в гідротермальних джерелах .

Прокаріотичні клітини

Найпростіший тип клітин, швидше за все, був першим типом клітин, що утворився на Землі. Це так звані прокаріотичні клітини . Усі прокаріотичні клітини мають клітинну мембрану, що оточує клітину, цитоплазму, де відбуваються всі метаболічні процеси, рибосоми, які утворюють білки, і кільцеву молекулу ДНК, яка називається нуклеоїдом, де зберігається генетична інформація. Більшість прокаріотичних клітин також мають жорстку клітинну стінку, яка використовується для захисту. Усі прокаріотичні організми є одноклітинними, тобто весь організм складається лише з однієї клітини.

Прокаріотичні організми нестатеві, тобто їм не потрібен партнер для розмноження. Більшість розмножуються за допомогою процесу, який називається бінарним поділом, де клітина просто розпадається навпіл після копіювання своєї ДНК. Це означає, що без мутацій в ДНК нащадки ідентичні своїм батькам.

Усі організми в таксономічних доменах Археї та Бактерії є прокаріотичними організмами. Фактично, багато видів у домені Archaea знаходяться в гідротермальних джерелах. Цілком можливо, що вони були першими живими організмами на Землі, коли зароджувалося життя.

Еукаріотичні клітини

Інший, набагато складніший тип клітини називається еукаріотичною . Як і прокаріотичні клітини, еукаріотичні клітини мають клітинні мембрани, цитоплазму , рибосоми та ДНК. Однак в еукаріотичних клітинах є набагато більше органел. До них належать ядро, в якому міститься ДНК, ядерце, де утворюються рибосоми, грубий ендоплазматичний ретикулум для збірки білка, гладкий ендоплазматичний ретикулум для створення ліпідів, апарат Гольджі для сортування та експорту білків, мітохондрії для створення енергії, цитоскелет для структури та транспортування інформації і везикули для переміщення білків по клітині. Деякі еукаріотичні клітини також мають лізосоми або пероксисоми для перетравлення відходів, вакуолі для зберігання води та інших речовин, хлоропласти для фотосинтезу та центріолі для розщеплення клітини під час мітозу . Клітинні стінки також можна знайти навколо деяких типів еукаріотичних клітин.

Більшість еукаріотичних організмів є багатоклітинними. Це дозволяє еукаріотичним клітинам всередині організму стати спеціалізованими. Завдяки процесу, який називається диференціюванням, ці клітини набувають характеристик і функцій, які можуть працювати з іншими типами клітин для створення цілого організму. Існує також кілька одноклітинних еукаріотів. Вони іноді мають крихітні виступи, схожі на волоски, які називаються віями, щоб видаляти сміття, а також можуть мати довгий ниткоподібний хвіст, який називається джгутиком для пересування.

Третій таксономічний домен називається доменом еукарії. Усі еукаріотичні організми підпадають під цей домен. До цього домену входять усі тварини, рослини, протисти та гриби. Еукаріоти можуть використовувати безстатеве або статеве розмноження залежно від складності організму. Статеве розмноження забезпечує більшу різноманітність нащадків шляхом змішування генів батьків для формування нової комбінації та, сподіваємося, більш сприятливої ​​адаптації до навколишнього середовища.

Еволюція клітин

Оскільки прокаріотичні клітини простіші за еукаріотичні клітини, вважається, що вони виникли першими. Загальноприйнята теорія клітинної еволюції називається ендосимбіотичною теорією . Він стверджує, що деякі органели, а саме мітохондрії та хлоропласти, спочатку були меншими прокаріотичними клітинами, поглиненими більшими прокаріотичними клітинами.