Структура клітини і її компонентів. Методи цитологічних досліджень. Будова клітин еукаріотів і прокаріотів

Будову і процеси життєдіяльності клітини вивчає цитологія (від грец. китос - клітина). Безумовно, вивчати клітини без застосування оптичних приладів неможливо, тому зародження і становлення цитології тісно пов'язане з винаходом мікроскопа (від грец. мікрос - маленький та скопео - дивлюся).

На жаль, точно невідомо, хто саме винайшов перший мікроскоп. Одні дослідники вважають, що цей винахід належить батьку і сину Янсенсам (кінець XVI століття), інші - відомому вченому Ґалілео Ґалілею (початок XVII століття).

Термін «клітина» запропонував 1665 року англійський дослідник Роберт Гук. Вивчаючи за допомогою сконструйованого ним мікроскопа зріз корка, він відкрив клітинну будову рослинних тканин. Однак, у даному випадку він мав справу не з живими клітинами, а лише з їхніми стінками.

Сучасник Р. Гука, голландець Антоні ван Левенгук також за допомогою мікроскопів власної конструкції (мал. 25) відкрив і описав одноклітинних тварин (зокрема, інфузорій), бактерій, а також еритроцити і сперматозоїди хребетних тварин.

Мал. 25. Мікроскоп, сконструйований А. ван Левенгуком

У 1825 році чеський дослідник Ян Пуркіне вперше спостерігав ядро в яйцеклітині курки, а в 1831—1833 роках англійський ботанік Роберт Броун описав ядра в клітинах рослин, згодом-у 1838-1839 роках, німецький зоолог Теодор Шванн описав ядра і в клітинах тварин. Так було доведено, що ядро є обов'язковим компонентом клітин рослин і тварин. Ці відкриття, а також накопичена на початок XIX століття інформація про будову клітин різних типів сприяли створенню клітинної теорії, яка істотно вплинула на подальший розвиток не лише цитології, а й усієї біології.

У 1839 році Т. Шванн, спираючись на результати досліджень іншого німецького вченого — ботаніка Матіаса Шлейдена, сформулював основні положення клітинної теорії:

- всі організми складаються з клітин;
- клітини тварин і рослин подібні за будовою.

Крім Т. Шваннаі М. Шлейдена, співавторами клітинної теорії вважають німецького вченого Рудольфа Вірхова й естонського вченого Карла Бера. Зокрема, Р. Вірхов довів, що клітини утворюються не з безструктурної міжклітинної речовини, як тоді вважалося, а розмножуються поділом. А К. Бер відкрив яйцеклітину птахів і ссавців і довів, що ці тварини розвиваються з однієї клітини - заплідненої яйцеклітини. Отже, було з'ясовано, що клітина є не лише одиницею будови, а й одиницею розвитку багатоклітинних організмів.

На сучасному етапі розвитку цитології клітинна теорія включає такі положення:

- клітина - елементарна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів;
- клітини всіх одноклітинних і багатоклітинних організмів подібні за походженням, будовою, хімічним складом, основними процесами життєдіяльності;
- кожна нова клітина утворюється тільки в результаті розмноження материнської клітини;
- у багатоклітинних організмів, які розвиваються з однієї клітини (спори, зиготи тощо), різні типи клітин формуються завдяки їхній спеціалізації протягом індивідуального розвитку особини і утворюють тканини;
- із тканин формуються органи, які тісно пов'язані між собою.

Як відомо, першим приладом, за допомогою якого вивчають клітини, був світловий (оптичний) мікроскоп (мал.26). Раніше ви вже мали змогу ознайомитися з будовою і правилами роботи з цим приладом.

Методи досліджень за допомогою цього мікроскопа називають світловою мікроскопією. Так можна вивчати загальний план будови клітин та їхні окремі органели, розміром не менше ніж 200 нм.

Пригадаймо: світлова мікроскопія ґрунтується на тому, що через прозорий чи напівпрозорий об'єкт дослідження проходять промені світла, які згодом потрапляють на систему лінз об'єктива та окуляра. Лінзи зорово збільшують об'єкт дослідження. Кратність збільшення можна визначити як добуток збільшень об'єктива і окуляра. Наприклад, якщо лінзи окуляра забезпечують збільшення в 10 разів, а об'єктива - в 40, то загальне збільшення об'єкта досліджень становитиме 400 разів. Сучасні світлові мікроскопи можуть забезпечувати збільшення об'єктів у 2-3 тис. разів.

Мал. 26. Світловий мікроскоп

Клітинні структури дрібніших розмірів (наприклад, клітинні мембрани) відкрито й досліджено за допомогою електронного мікроскопа (мал. 28), винайденого у першій половині XX століття.

Мал. 28. Електронний мікроскоп

За конструкцією електронний мікроскоп нагадує світловий, але замість потоку променів світла в ньому застосовують потік електронів, які рухаються в магнітному полі. Цей потік прискорюється високою різницею потенціалів, що створюється між різними полюсами (катодом і анодом). Роль лінз виконують електромагніти, здатні змінювати напрямок руху електронів, збирати їх у пучок (фокусувати) і спрямовувати його на об'єкт дослідження. Частина електронів, проходячи через об'єкт, може відхилятись, розсіюватись, поглинатись, взаємодіяти з об'єктом дослідження або проходить крізь нього без змін. Пройшовши через досліджуваний об'єкт, електрони потрапляють на люмінісцен-тний екран, спричиняючи його свічення, або на особливий фотоматеріал, за допомогою якого зображення можна фотографувати.

Електронний мікроскоп здатний збільшувати зображення об'єктів дослідження в сотні тисяч разів (до 500 000 і більше).

Живі клітини досліджують як за допомогою методу прижиттєвого вивчення, так і в зафіксованому стані. У першому випадку можна вивчати певні процеси життєдіяльності клітини (рух цитоплазми, процес поділу тощо).

Щоб з'ясувати місце або перебіг тих чи інших біохімічних процесів у клітині, застосовують метод мічених атомів: у клітину вводять речовину, в якій один з атомів певного хімічного елемента заміщений його радіоактивним ізотопом. За допомогою спеціальних приладів, здатних фіксувати ці ізотопи, можна простежити за міграцією цих речовин у клітині та їхнім перетворенням.

Вивчаючи тонку структуру клітин, їх потрібно попередньо зафіксувати, застосовуючи особливі речовини (спирт, формалін тощо), швидке заморожування або висушування. Деякі структури фіксованих клітин зафарбовують спеціальними барвниками.

Для вивчення окремих клітинних структур застосовують метод центрифугування (від лат. центрум - центр та фуга - втеча). При цьому клітини попередньо подрібнюють і в особливих пробірках уміщують у центрифугу - прилад, здатний розвивати швидкі колові оберти. Оскільки різні клітинні структури мають неоднакову щільність, вони під час роботи центрифуги осідатимуть неодночасно й утворюватимуть шари: щільніші - швидше, і тому опиняться знизу, а менш щільні - повільніше, вони розташуються зверху. Шари, що утворилися, розділяють і досліджують окремо.

Прокаріоти (від лат. про - перед, замість та грец. каріон - ядро) - надцарство організмів, до складу якого входять царства Бактерії та Ціанобактерії (колишня назва — «синьо-зелені водорості»).

Клітини прокаріотів характеризуються простою будовою: вони не мають ядра і багатьох органел (міто-хондрій, пластид, ендоплазматичної сітки, комплексу Гольджі, лізосом, клітинного центру) (мал 34).

Мал. 34. Схема будови клітини бактерії:
1 - цитоплазма;
2 - фотосинтетичні мембрани;
3 - капсула;
4 -джгутик;
5 - клітинна стінка;
6 - рибосоми;
7 - запасні поживні речовини;
8 - кільцева ДНК;
9 - плазматична мембрана;
10- складчасті впинання мембрани

Ще однією характерною рисою клітин цих організмів є відсутність системи внутрішньоклітинних мембран. Лише у деяких бактерій — мешканців водойм або капілярів ґрунту, заповнених водою, є особливі газові вакуолі. Змінюючи об'єм газів у цих вакуолях, бактерії можуть пересуватись у водному середовищі з мінімальними витратами енергії.

Таким чином, клітинам прокаріотів притаманна простота будови.

У цитоплазмі прокаріотів містяться рибосоми та різноманітні включення. Але розміри рибосом дрібніші, ніж у еукаріотів.

До складу поверхневого апарату клітин прокаріотів входить плазматична мембрана, клітинна стінка, іноді слизова капсула. Плазматична мембрана може утворювати гладенькі або складчасті впинання в цитоплазму. На складчастих мембранних впинаннях можуть розташовуватись ферменти, рибосоми, а на гладеньких - фотосинтезуючі пігменти. В клітинах деяких бактерій (наприклад, пурпурних) фотосинтезуючі пігменти можуть міститись у кулястих замкнених структурах, утворених випинаннями плазматичної мембрани. їх називають хроматофорами (від грец. хрома - фарба та форос - той, що несе).

Замість ядра, в клітинах прокаріотів є одна чи кілька ядерних зон зі спадковим матеріалом. Але на відміну від ядра еукаріотів, ядерні зони прокаріотів мембранами від цитоплазми не відокремлені. Спадковий матеріал прокаріотів представлений кільцевою молекулою ДНК, прикріпленою в певному місці до внутрішньої поверхні плазматичної мембрани (мал. 34). Отже, типові хромосоми, які в клітинах еукаріотів розташовані в ядрі, у прокаріотів відсутні.

Клітини деяких бактерій мають органели руху -один, декілька або багато джгутиків. Джгутики можуть бути довші за саму клітину, проте їхній діаметр незначний (10-25 нм), тому у світловий мікроскоп вони не помітні. Крім джгутиків, поверхня клітин бактерій має нитчасті та трубчасті утвори, які складаються з білків чи полісахаридів. Вони забезпечують прикріплення до субстрату або беруть участь у передаванні спадкової інформації під час статевого процесу.

Прокаріоти - мікроскопічні організми.

Розміри їхніх клітин не перевищують ЗО мкм, а в деяких видів діаметр клітин становить лише 0,2 мкм. Більшість прокаріотів - одноклітинні організми, серед них є і колоніальні форми. Скупчення клітин прокаріотів можуть мати вигляд ниток, грон тощо. Іноді вони оточені спільною слизовою оболонкою - капсулою. При цьому контакти між сусідніми клітинами, що мають вигляд мікроскопічних канальців, заповнених цитоплазмою, відомі лише для деяких колоніальних ціанобактерій.

Форма клітин прокаріотів різноманітна: куляста (коки), паличкоподібна (бацили), у вигляді вигнутої (вібріони) або спірально закрученої (спірили) палички тощо (мал. 35).

Мал. 35. Різні форми бактерій:
1 - коки;
2 - бацили;
3 - спірили;
4 - вібріони

Прокаріоти розмножуються нестатевим способом — поділом навпіл.

Перед поділом клітина збільшується в розмірах, її спадковий матеріал (молекула ДНК) подвоюється. Таким чином, кожна з дочірніх клітин, які утворилися внаслідок поділу материнської, отримує подібну спадкову інформацію (мал. 36).

Мал. 36. Поділ бактеріальної клітини

У прокаріотів спостерігається і статевий процес -кон'югація (від лат. конюгатіо - сполучення). Під час кон'югації дві клітини обмінюються спадковою інформацією (у вигляді фрагментів молекули ДНК) через цитоплазматичний місток, що на певний час утворився між ними.

За несприятливих умов у деяких прокаріотів утворюються спори. В одних видів спори утворюються всередині материнської клітини: цитоплазма майбутньої спори вкривається багатошаровою оболонкою. Такі спори дуже стійкі до дії високої температури (в деяких випадках вони можуть витримувати кип'ятіння протягом кількох годин), іонізуючого опромінення, хімічних сполук тощо. Потрапивши у сприятливі умови, спори проростають. У вигляді спор бактерії можуть тривалий час зберігати життєздатність у несприятливих умовах (мал. 37).

Мал. 37. Утворення спори і цисти

У ґрунті, що прилип до коренів засушених рослин з одного гербарію у Великобританії, було виявлено життєздатні спори, вік яких перевищував 300 років. Учені припускають, що життєздатність спор може зберігатися до 1000 років.

У деяких бактерій спори можуть утворюватись не всередині материнської клітини, а в результаті брунькування.

Деякі прокаріоти здатні до інцистування (від лат. ін - в, всередині та грец. кистіс - міхур). При цьому щільною оболонкою вкривається вся клітина. Цисти прокаріотів стійкі до дії радіації, висушування, але нездатні витримувати високі температури.

Еукаріоти (від грец. еу - повністю, добре) - організми, клітини яких мають ядро, принаймні на певних етапах їхнього клітинного циклу. Цитоплазма еукаріотичних клітин поділена мембранами на окремі функціональні ділянки; вона містить різноманітні органели (пластиди, мітохондрії, комплекс Гольджі, ендоплазматичну сітку, лізосоми, клітинний центр, вакуолі та ін.). Процес поділу еукаріотичних клітин досить складний. Він супроводжується, зазвичай, утворенням особливого веретена поділу, що забезпечує розподіл спадкового матеріалу між дочірніми клітинами.

До надцарства Еукаріоти належать царства Рослини, Гриби, Тварини. Серед еукаріотів трапляються як одноклітинні чи колоніальні, так і багатоклітинні форми.

Поиск по сайту: