Підручник Біологія 9 клас - О. А. Андерсон - Школяр 2017

Тема 2 СТРУКТУРА КЛІТИНИ

З історії відкриттів

Наука, що вивчає будову та різноманітність клітин, називається цитологією. її становлення та розвиток пов’язані з іменами видатних учених.

Одним із перших винахідників мікроскопа був Захаріус Янсен, який створив його в 1595 р. Надалі мікроскоп удосконалив видатний англійський фізик Роберт Гук (1635-1703), що сприяло відкриттю ним клітинної будови організмів. Розглядаючи кіркову пробку, якою була закоркована пляшка, учений у 1665 р. вперше в історії людства спостерігав у полі зору мікроскопа клітини рослин. Голландський натураліст Антоні ван Левенгук (1632-1723) суттєво вдосконалив конструкцію мікроскопа, уперше спостерігав бактерії та найпростіші, описав пластиди, еритроцити, сперматозоїди. У 1827 р. Карл Бер описує яйцеклітини ссавців. Центральну структуру клітин рослин і тварин - ядро - відкрили в 1825 р. чеський дослідник Ян Пуркіньє (1787-1869) (у клітинах тварин) та в 1831 р. англієць Роберт Броун (1773-1858) (у клітинах рослин). Праці німецьких учених Матіаса Шлейдена (1804-1881), Теодора Шванна (1810-1882) та Рудольфа Вірхова (1821-1902) лягли в основу клітинної теорії - фундаментального узагальнення біології, яка визначала взаємозв’язок усіх проявів життя на Землі з клітиною, характеризувала клітину одночасно як цілісну самостійну живу систему та як складову багатоклітинних організмів рослин і тварин. У 1838 р. Т. Шванн опублікував три попередні повідомлення, а в 1839 р. з’явився його класичний твір «Мікроскопічні дослідження про відповідність у структурі й зростанні тварин і рослин», у самому заголовку якого висловлено основну думку клітинної теорії. Основні положення клітинної теорії:

• усі організми складаються з клітин;

• клітина є одиницею будови й розвитку всіх організмів;

• клітини як одноклітинних, так і багатоклітинних організмів загалом подібні за будовою та основними процесами життєдіяльності;

• утворення нових клітин є наслідком розмноження материнської клітини. Поступово заклалися основи науки, яка називається цитологією. Вона вивчає будову, процеси життєдіяльності та різноманітність клітин. Відкриття в цитології стали підґрунтям для розвитку медицини, ветеринарії, сучасних напрямів досліджень у галузі клітинної інженерії. З методами вивчення клітини та сучасними відкриттями в цитології ви ознайомитеся в параграфах цієї теми.

Мікроскоп Р. Гука

Малюнок мікроскопічної структури корка Р. Гука з праці «Мікрографії»

§ 8. Дослідження клітин

Згадаємо!

Який прилад на уроках біології ви використовували для вивчення клітин, тканин? Що є складовими цього приладу та які їх функції?

Ви знаєте, що всі процеси життєдіяльності організмів відбуваються на клітинному рівні. Так, у клітині зберігається спадкова інформація, забезпечуються її відтворення та передавання наступним поколінням. На основі цієї інформації синтезуються білкові молекули, які виконують в організмах більшість функцій. У клітинах відбуваються процеси синтезу органічних речовин з неорганічних (§ 16, 17). Організми розмножуються спорами, частинами організму або внаслідок злиття статевих клітин, тобто відтворюють собі подібних за рахунок клітин. З цими та іншими процесами функціонування клітин ви ознайомитеся детальніше в наступних параграфах.

! Клітина є одиницею будови, життєдіяльності та розмноження організмів.

Типи й методи мікроскопії. Більшість клітин дуже дрібні, тому їх не можна побачити простим оком. На оптимальній для зору відстані (25 - 30 см) людина здатна розрізняти об’єкти розміром не менше, ніж 70 - 80 мкм. Для того щоб бачити дрібніші об’єкти, оку потрібна допомога - спеціальні прилади для збільшення. Біологічні об’єкти, вивчення яких стало можливим завдяки винайденню таких приладів, представлено на рис. 32.

Світлова мікроскопія. Згадаємо будову світлового мікроскопа. Сукупність лінз, що містяться в об’єктивах та окулярах, називається оптичною

Клітини епідермісу цибулі, довжина ~130 мкм (10-6 м)

Хромосома людини, 7 - 8 мкм (10-6 м)

Схема фрагмента плазматичної мембрани клітини, товщина 7 - 8 нм (10-9 м)

Мітохондрія, 1 - 3 мкм (10 6 м)

Бактерія кишкова паличка, ~ 2 мкм (10 6 м)

Рис. 32. Розміри біологічних об’єктів клітинного й молекулярного рівнів

? Який об’єкт ви досліджували за допомогою світлового мікроскопа на уроці біології? Проаналізуйте розміри зображених біологічних об’єктів. Який об’єкт має найбільші розміри, а який - найменші?

системою мікроскопа. Під предметним столиком розміщено частину мікроскопа, яка забезпечує проходження світла від досліджуваного об’єкта до оптичної системи. У найпростішому випадку - це дзеркало: світло проходить через препарат та лінзи, унаслідок чого можна бачити досліджуваний об’єкт. Під час виготовлення мікропрепарату часто використовують барвники - речовини, що вибірково забарвлюють різні компоненти клітини (рис. 33). Описаний спосіб мікроскопії називається методом світлого поля. Саме його ви використовуєте під час виконання лабораторних робіт з біології. У такий спосіб можна побачити об’єкти розміром від 200 нм (внутрішні компоненти клітин мають значно менші розміри). Для збільшення потужності світлових мікроскопів існує кілька методів.

Якщо всі структури досліджуваного об’єкта невидимі при освітленні за методом світлого поля (це часто стосується живих біологічних об’єктів), використовують освітлення за методом темного поля. При цьому конденсор спеціальної конструкції так спрямовує світло через об’єкт, що його основна частина не потрапляє до об’єктива. За відсутності препарату в мікроскоп буде видно темне поле (тому метод й отримав таку назву). Якщо ж на шляху світла (в мікропрепараті) є структури, які заломлюють світло по-іншому (відхиляють його в бік від лінії, якою воно пройшло від конденсора), то заломлені промені потрапляють в об’єктив, і такі структури стають видимими (рис. 34).

Інші методи світлової мікроскопії (фазово-контрастна, поляризаційна) ґрунтуються на складних властивостях світла та розширюють можливості дослідників. Останнім словом світлової мікроскопічної техніки є прилади з суперроздільною здатністю, що дають змогу бачити об’єкти розміром до 10 нм (конфокальна, STED-мікроскопія тощо). А в поєднанні з методиками вибіркового забарвлення хімічних речовин (використання явища флуоресценції) можна побачити в клітинах розподіл певних молекул і навіть зміни їх концентрації в процесі життєдіяльності клітини (рис. 35).

Незафарбований мікропрепарат рослини. Добре видно клітинні стінки та складові, що мають природне забарвлення (які?).

Варіант фарбування тваринних тканин. Ядра забарвлені синім кольором, цитоплазма - червоним.

Рис. 33. Забарвлення мікропрепаратів

Дослідження живих біологічних об’єктів.

Рис. 34. Метод темного поля, діатомові водорості

Електронна мікроскопія. Однак використання світла не дає змоги вивчати будову об’єктів молекулярного рівня. Допомагає в цьому електронна мікроскопія. Через препарат пропускають не промінь світла, а пучок електронів, які реєструються спеціальним сенсором. Різні речовини взаємодіють з електронами неоднаково - вільно пропускають їх або ж відхиляють. Завдяки такій особливості можна бачити різні структури. Наприклад, нітрогеновмісні основи нуклеотидів активно взаємодіють з електронами, тому ядра клітин, що зберігають ДНК, виглядають темнішими. Роздільна здатність електронних мікроскопів сягає 0,5 нм і менше. Описаний різновид електронної мікроскопії називається просвічувальним, або трансмісивним (рис. 36). Існують також сканувальні електронні мікроскопи. У них пучок електронів пропускають на об’єкт зверху, а сенсори вловлюють зображення, що відбилося (а не те, що пройшло наскрізь). Це дає змогу отримувати тривимірні зображення досліджуваних об’єктів (рис. 37).

Основні методи дослідження живих клітин. Постійно проводити дослідження клітин різних типів дає змогу метод культури клітин. При цьому живі клітини утримують та розмножують на штучних поживних середовищах. Метод мічених атомів, або авторадіографія, допомагає з’ясувати місце й перебіг певних фізико-хімічних явищ у клітині. Для цього в клітину вводять речовину, у якій один з атомів елемента (наприклад, Карбону, Фосфору) заміщено на його радіоактивний ізотоп. За допомогою приладів, що фіксують йонізуюче випромінювання, відстежують міграцію цих речовин у клітині, їхні перетворення, виявляють місце й характер різних біохімічних процесів.

Рис. 35. Вимірювання змін концентрації йонів Ca2+ за допомогою конфокальної мікроскопії під час запліднення яйцеклітини плодової мушки дрозофіли. Високі концентрації показано червоним, низькі - синім. Інтервал часу між зображеннями - 1 хв

?! Проаналізуйте зображення й дайте відповідь на запитання: Як змінюється концентрація йонів Ca2+ під час запліднення?

У місці контакту мембран двох клітин можна бачити двошарову структуру кожної.

Рис. 36. Зображення досліджуваного об’єкта. Просвічувальна електронна мікроскопія

Чутливі клітини внутрішнього вуха - видно вирости мембран.

Рис. 37. Зображення досліджуваного об’єкта. Сканувальна електронна мікроскопія

Різноманітність клітин. Клітина - жива відкрита система, яка є основою будови й розвитку організмів. Клітинам властиві обмін речовин та енергії з навколишнім середовищем, розмноження, ріст та розвиток, синтез специфічних молекул (нуклеїнові кислоти, білки, ферменти тощо). Вони реагують на подразники адаптивними змінами. Характерна особливість клітин - це єдність хімічних процесів: дихання, використання та перетворення енергії. Клітини різняться між собою за розміром, формою, походженням, особливостями організації й функціями. Ви вже ознайомилися з будовою деяких клітин (рис. 38). Сучасній науці відомо більше ніж 200 тис. видів одноклітинних організмів, кожен із яких характеризується властивими лише йому особливостями. Тіла багатоклітинних організмів складаються з клітин різних типів (кілька десятків типів у рослин, 100 - 200 - у тварин), причому клітини одного типу в різних видів мають певні відмінності. Незважаючи на таку різноманітність, усі клітини мають загальні риси будови: поверхня кожної клітини обмежена плазматичною мембраною, а внутрішній уміст називається цитоплазмою. За будовою всі клітини поділяють на дві великі категорії:

• клітини, що мають ядра та складну внутрішню будову, називаються еукаріотичними (від грец. еу- - повністю, добре та каріо - ядро) і властиві грибам, рослинам та тваринам;

• без’ядерні клітини, що мають простішу внутрішню будову, називаються прокаріотичними (від грец. про - до і каріо) і властиві бактеріям й археям (більш детально ознайомитися з різноманіттям клітин ви зможете в § 12).

Ми почнемо ознайомлення з будовою клітин із складних, еукаріотичних. До них належать і клітини організму людини.

Формені елементи крові людини

Інфузорія-туфелька

Рис. 38. Різноманітність клітин

?) Які функції виконують зображені клітини в складі багатоклітинних організмів? Інфузорія - це клітина чи організм?

ПОВТОРІТЬ, ПОМІРКУЙТЕ

1. Перелічіть методи вивчення клітини.

2. Які типи мікроскопії ви знаєте?

3. Поясніть значення кожного типу мікроскопії для вивчення клітини.

4. Який метод дає змогу з’ясовувати перебіг хімічних процесів?

5. Які організми належать до еукаріотів, а які - до прокаріотів?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити