Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 14. Методи дослідження клітини

Багато вчених зробили внесок у вивчення клітини

Першою людиною, яка побачила клітини, був англійський природознавець Роберт Гук1. 1665 року він використав удосконалений мікроскоп для того, аби вивчити будову корка — зовнішнього шару кори коркового дуба (рис. 14.1). У ньому він побачив структури, що нагадували бджолині стільники, і назвав їх клітинами. На той час Гук припускав, що «живими» є клітинні стінки, а не вміст клітин.

Через 10 років італійський лікар Марчелло Мальпігі запропонував теорію клітинної будови рослин. Основна ідея цієї теорії полягала в тому, що всі органи рослин побудовані з клітин. До того ж, дослідник припустив, що «життя» зосереджене не тільки в оболонці клітини, а й у рідині всередині. Приблизно в той самий час голландець Антоні ван Левенгук уперше побачив одноклітинні мікроорганізми, а також деякі клітини людини — еритроцити та сперматозоїди. Відомий французький зоолог Жан Батист Ламарк на початку ХІХ століття припустив, що всі живі організми мають клітинну будову. Надалі цю ідею підтвердили дослідження чеського фізіолога Яна Пуркінє та англійського ботаніка Роберта Броуна, які описали ядро. Німецькі вчені Теодор Шванн, Маттіас Шлейден і Рудольф Вірхов зробили з відомих фактів висновки й узагальнили їх у клітинній теорії будови всього живого. Органом тварин, клітинна будова якого була доведена найпізніше, виявився мозок.

Перші мікроскопи були світловими

Історично перші мікроскопи були світловими. Принцип їхньої роботи полягає в тому, що крізь прозорий об’єкт проходить промінь світла, який потім потрапляє до системи лінз, що в багато разів збільшує зображення об’єкта. Будову світлового мікроскопа представлено на рисунку 14.2, А.

Світловий мікроскоп дає змогу вивчити дрібні об’єкти з досить високою точністю. За допомогою шкільного світлового мікроскопа можна збільшувати зображення об’єктів у 100-400 разів, а за допомогою лабораторних — у 1000 разів. Проте у світлового мікроскопа є межа роздільної здатності — мінімальна відстань між двома точками, коли їх ще видно як окремі об’єкти. Межі роздільної здатності визначаються фізичною природою світла й не можуть бути подолані використанням потужних лінз. Теоретична межа роздільної здатності світлового мікроскопа становить 0,2 мкм (для порівняння: довжина кишкової палички приблизно 1-2 мкм), а максимальне збільшення — приблизно у 2000 разів. Роздільна здатність, що менша за розмір клітини, дає змогу вивчати дрібних тварин та одноклітинні організми, будову тканин і клітин. Проте внутрішня будова органел, бактерій, а також структура вірусів і молекул є недоступними звичайному світловому мікроскопу.

Рис. 14.1.

А. Рисунок корка під мікроскопом, зроблений Робертом Гуком. Б. Макет мікроскопа, яким користувався Гук під час своїх досліджень.

1 На уроках фізики ви вивчали закон пружності, сформульований ним, — закон Гука.

Електронна мікроскопія — потужний метод дослідження будови клітини

Теоретичну межу роздільної здатності світлового мікроскопа можна подолати, якщо використовувати для отримання зображення не світло, а пучок електронів. Такий мікроскоп буде вже не світловим, а електронним. У ньому також є лінзи, але вже не скляні, а магнітні, що фокусують електрони та проектують зображення на екран. Використання електронів дозволяє підвищити межу роздільної здатності мікроскопа до 0,5 нм, що на практиці збільшує зображення об’єкта в 1 млн разів і більше. Є кілька конструкцій електронного мікроскопа, найпоширеніші з-поміж яких — просвітлювальний і сканувальний (растровий). У просвітлювальному електронному мікроскопі (ПЕМ) пучок електронів проходить крізь дуже тонкий об’єкт і формує зображення на екрані (рис. 14.3). У сканувальному електронному мікроскопі (СЕМ) сфокусований пучок електронів сканує об’єкт і відбивається від його поверхні (рис. 14.4). Аналіз траєкторій відбитих електронів дає змогу скласти зображення поверхні об’єкта з високою чіткістю.

Незважаючи на високу чіткість зображень, отриманих за допомогою електронного мікроскопа, приготування зразків для електронної мікроскопії є досить тривалим і трудомістким процесом. І, на жаль, вивчення біологічних об’єктів за життя з використанням електронного мікроскопа неможливе.

Рис. 14.2.

А. Будова світлового мікроскопа. 1. Окуляр. 2. Штатив. 3. Гвинт різкості. 4. Тубус. 5. Об’єктив. 6. Предметний столик. Б. Поперечний переріз листка кукурудзи. В. Мазок крові людини: посеред без’ядерних еритроцитів є великий лейкоцит із сегментованим ядром. Усі препарати були додатково забарвлені в процесі приготування, оскільки сама по собі більшість тканин тварин і рослин безбарвна.

Флуоресцентна мікроскопія дає змогу реконструювати тривимірну будову клітини

В останні десятиліття з’явилося багато нових методів світлової мікроскопії, заснованих на внесенні до об’єкта специфічних світних міток. Є певні речовини, що називаються флуоресцентними, які при освітленні світлом одного кольору починають світитися іншим кольором (рис. 14.5).

Рис. 14.3.

A. Сучасний просвітлювальний електронний мікроскоп (ПЕМ). Б. Вигляд мітохондрії в ПЕМ. B. Поперечний переріз еукаріотичного джгутика в ПЕМ.

Такими флуоресцентними речовинами можна мітити молекули в об’єкті дослідження. У результаті легко вивчати внутрішньоклітинне положення молекул, що нас цікавлять. А вдосконалені методи флуоресцентної мікроскопії уможливлюють реконструювання тривимірної будови біологічних об’єктів!

Диференційне центрифугування дає змогу «розібрати» клітину на частини

Для вивчення будови та функцій окремих компонентів клітини важливо виділити їх у чистому вигляді. Найчастіше це роблять за допомогою методу диференційного центрифугування. Для розділення органел клітини руйнують, а отриману суміш переносять до центрифуги. Центрифуга — це пристрій для розділення клітинних компонентів під дією відцентрової сили.

У центрифузі пробірка з органелами обертається з високими швидкостями, у результаті чого виникає значне відцентрове прискорення (зазвичай від 100 g до 100 тисяч g, де g — прискорення вільного падіння). Відцентрова сила, що виникає разом із відцентровим прискоренням, пропорційна масі. Тому важчі компоненти осідають на дно пробірки першими, за ними — легші та найлегші. Таким чином, першими осідають ядра, потім мітохондрії й так далі, доки останніми не осядуть мембранні пухирці та рибосоми. Після цього розділені органели можна досліджувати.

Рис. 14.4.

A. Сучасний сканувальний електронний мікроскоп (СЕМ). Б. Голова метелика в СЕМ. B. Кишкові палички в СЕМ.

Рис. 14.5.

А. Епітеліальні клітини. Б. Ембріон миші.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Створення клітинної теорії було б неможливим без

  • А світлового мікроскопа
  • Б електронного мікроскопа
  • В центрифуги
  • Г флуоресцентного мікроскопа
  • Д хімічних експериментів

2. У світловий мікроскоп можна побачити

  • А будову вірусу грипу
  • Б окремі частини рибосоми
  • В молекулу білка
  • Г мітохондрію
  • Д кристалічну ґратку солі

3. ПЕМ та СЕМ різняться тим, що

  • А зображення в ПЕМ плоске, а в СЕМ — об’ємне
  • Б у СЕМ об’єкт забарвлений у свої природні кольори
  • В збільшення об’єкта завжди різні
  • Г у ПЕМ досліджуваний об’єкт може бути живим
  • Д у ПЕМ для фокусування використовують магніти, а в СЕМ — скляні лінзи

4. Останнім під час диференційного центрифугування осяде такий компонент клітини, як

  • А хлоропласт
  • Б мітохондрія
  • В травна вакуоля
  • Г рибосома
  • Д ядро

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

5. У чому схожі й відмінні механізми, за допомогою яких набувають різного забарвлення препарати для світлової та флуоресцентної мікроскопії?

6. Чому в біології виникла потреба використовувати електронний мікроскоп?

7. Яка причина заміни скляних лінз магнітними в електронному мікроскопі?

8. Якими додатковими компонентами треба оснастити світловий мікроскоп, щоб він працював як флуоресцентний?

9. Розгляньте рисунок 14.2, А й опишіть, крізь які частини світлового мікроскопа та в якій послідовності проходить світловий пучок. Які елементи здійснюють збільшення зображення?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

10. Чому клітинна будова рослин була виявлена раніше за клітинну будову тварин?

11. Які хвороби людини та як можна діагностувати, використовуючи світлову мікроскопію?

12. Як можна за допомогою диференційного центрифугування розділяти клітини або великі молекули? Які особливості матиме таке розділення?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. 2008 року група вчених отримала Нобелівську премію за вивчення структури та розробку способів застосування зеленого флуоресцентного білка. У чому важливість цієї речовини для сучасної біології?