Вы знаете, что все процессы жизнедеятельности организмов происходят на клеточном уровне. Так, в клетке хранится наследственная информация, обеспечиваются ее воспроизведения и передачи следующим поколениям. На основе этой информации синтезируются белковые молекулы, которые выполняют в организмах большинство функций.
В клетках происходят процессы синтеза органических веществ из неорганических. Организмы размножаются спорами, частями организма или в результате слияния половых клеток, то есть воспроизводят себе подобных за счет клеток. С этими и другими процессами функционирования клеток вы ознакомитесь подробнее в следующих статьях.
Клетка является единицей строения, жизнедеятельности и размножения организмов.
Типы и методы микроскопии
Большинство клеток очень мелкие, поэтому их нельзя увидеть невооруженным глазом. На оптимальном для зрения расстояния (25-30 см) человек способен различать объекты размером не меньше, чем 70-80 мкм. Для того чтобы видеть более мелкие объекты, нам нужна помощь — специальные приборы для увеличения. Биологические объекты, изучение которых стало возможным благодаря изобретению таких приборов, представлены на рисунке:
Размеры биологических объектов клеточного и молекулярного уровней
Световая микроскопия
Вспомним строение светового микроскопа. Совокупность линз, содержащиеся в объективах и окулярах, называется оптической системой микроскопа. Под предметным столиком размещена часть микроскопа, которая обеспечивает прохождение света от исследуемого объекта к оптической системе. В простейшем случае — это зеркало: свет проходит через препарат и линзы, вследствие чего мы можем видеть исследуемый объект. При изготовлении микропрепарата часто используют красители — вещества, которые избирательно окрашивают различные компоненты клетки. Описанный способ микроскопии называется методом светлого поля. Именно его вы использовали при выполнении школьных лабораторных работ по биологии. Таким образом можно увидеть объекты размером от 200 нм (внутренние компоненты клеток имеют значительно меньшие размеры). Для увеличения мощности световых микроскопов существует несколько методов.
Окраска микропрепаратов для микроскопирования
Если все структуры исследуемого объекта невидимы при освещении по методу светлого поля (это часто касается живых биологических объектов), используют освещения по методу темного поля. При этом конденсор специальной конструкции так направляет свет через объект, его основная часть не попадает в объектив. При отсутствии препарата в микроскоп будет видно темное поле (поэтому метод и получил название). Если же на пути света (в микропрепарате) появляются структуры, которые преломляют свет по-другому (отклоняют его в сторону от линии, по которой свет шел от конденсора минуя объектив), то преломленные лучи попадают в объектив, и такие структуры становятся видимыми, как на иллюстрации ниже.
Исследование живых биологических объектов, метод темного поля.
Другие методы световой микроскопии (фазово-контрастная, поляризационная) основываются на сложных свойствах света и расширяют возможности исследователей. Последним словом световой микроскопической техники являются приборы с суперразрешающей способностью, которые позволяют видеть объекты размером до 10 нм (конфокальная, STED-микроскопия и т.д.). А в сочетании с методиками выборочной окраски химических веществ (использование явления флуоресценции) можно увидеть в клетках распределение определенных молекул и даже изменения их концентрации в процессе жизнедеятельности клетки.
Электронная микроскопия
Однако использование света не позволяет изучать строение объектов молекулярного уровня. Помогает в этом электронная микроскопия. Через препарат пропускают не луч света, а пучок электронов, которые регистрируются специальным сенсором. Различные вещества взаимодействуют с электронами неодинаково — свободно пропускают их или отклоняют. Благодаря такой особенности можно видеть разные структуры. Например, азотсодержащие основания нуклеотидов активно взаимодействуют с электронами, поэтому ядра клеток, сохраняющих ДНК, выглядят темнее. Разрешение электронных микроскопов достигает 0,5 нм и менее. Описанный вид электронной микроскопии называется просвечивающим, или трансмиссивным.
Существуют также сканирующие электронные микроскопы. В них пучок электронов пропускают на объект сверху, а сенсоры улавливают изображения, которое отразилось от объекта (а не то, что прошло насквозь). Это позволяет получать трехмерные изображения исследуемых объектов.
Основные методы исследования живых клеток
Постоянно проводить исследования клеток различных типов позволяет метод культивирования клеток. При этом живые клетки содержатся и размножаются на искусственных питательных средах. Метод меченых атомов, или авторадиография, помогает выяснить место и ход определенных физико-химических явлений в клетке. Для этого в клетку вводят вещество, в которой один из атомов элемента (например, углерода, фосфора) замещено на его радиоактивный изотоп. С помощью приборов, фиксирующих ионизирующего излучения, отслеживают миграцию этих веществ в клетке, их преобразования, обнаруживают место и характер различных биохимических процессов.
Разнообразие клеток
Клетка — живая открытая система, которая является основой строения и развития организмов. Клеткам свойственны обмен веществ и энергии с окружающей средой, размножение, рост и развитие, синтез специфических молекул (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты и т.д.). Они реагируют на раздражители адаптивными изменениями. Характерная особенность клеток — это единство химических процессов: дыхания, использования и преобразования энергии. Клетки различаются между собой по размеру, форме, происхождению, особенностями организации и функциями. Вы уже ознакомились со строением некоторых клеток.
Разнообразие клеток
Современной науке известно более 200 тыс. видов одноклеточных организмов, каждый из которых характеризуется присущими только ему особенностями. Тела многоклеточных организмов состоят из клеток различных типов (несколько десятков типов у растений, 100 — 200 у животных), причем клетки одного типа у различных видов живых организмов имеют определенные различия. Несмотря на такое разнообразие, все клетки имеют общие черты строения: поверхность каждой клетки ограничена плазматической мембраной, а внутреннее содержимое называется цитоплазмой. По строению все клетки делятся на две большие категории:
- клетки, имеющие ядра и сложное внутреннее строение, называются эукариотическими (от греч. Эу- — полностью, хорошо и карио — ядро) и свойственны грибам, растениям и животным;
- безъядерные клетки, имеющие простую внутреннее строение, называются прокариотическими (от греч. Про — до и карио — ядро) и присущие бактериям и археям (Археи представляют собой простейшие одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра, а также каких-либо мембранных структур).
В следующих статьях мы приступим к ознакомлению с устройством клеток и начнем с самых сложных, эукариотических. К ним относятся и клетки организма человека.