§ 19. Клеточная теория

Вопрос 1. Что такое клетка?

Клетка — элементарная живая система, основная структурная единица живых организмов, способная к самовозобновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.

Вопрос 2. Какие методы изучения клеток вы знаете?

Метод световой микроскопии. Разновидности световой микроскопии: фазово — контрастный, флеристцентная и поляризационная микроскопия.

2.Метод электронной микроскопии. Методы изучения фиксированных клеток.

3.Гистологические методы. Методы фиксации, приготовления препаратов с последующей их окраской.

4.Цитохимические методы — это избирательное окрашивание различных химических элементов (компонентов) клетки (ДНК, белок…).

5.Морфологические методы — это количественный метод, изучающий параметры основных клеточных структур.

6.Метод меченых изотопов. Используют тяжелые атомы углерода или водорода. Эти меченые атомы включают в предшественники синтеза определенных молекул. Например: при синтезе ДНК используют меченый тимидин Н3 — предшественник тимина.

7.Для обнаружения метки в цитологии используют метод авторадиографии. Изготавливают гистологические препараты и покрывают их фотоэмульсией в темноте, определенное время выдерживают при определенной температуре, затем препараты проявляют с использованием фотореактивов, при этом метка выявляется в виде зерен серебра.

8.Метод фракционирования клеток позволяет изучать внутриклеточные компоненты. Разрушают клетки, помещают их в специальные центрифуги, и разные клеточные компоненты осаждаются при разной скорости цинтрифугирования.

9.Метод рентгеноструктурного анализа используют для изучения кристаллической решетки ядра атома.

Методы изучения живых клеток.

10.Метод клеточных структур позволяет изучать живую клетку.

11.Метод микрохирургии. Например: вживление микроэлектрода.

12.Методы клонирования.

Вопрос 3. Что такое клеточная теория и каковы её современные положения?

Клеточная теория — одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений, животных и остальных живых организмов с клеточным строением, в котором клетка рассматривается в качестве единого структурного элемента живых организмов.

Современные положения клеточной теории следующие:

• клетка является универсальной структурной и функциональной единицей живого, имеющего клеточную структуру;

• все клетки имеют сходное строение, химический состав и общие принципы жизнедеятельности;

• клетки образуются только при делении клеток;

• клетки способны к самостоятельной жизнедеятельности, но в многоклеточных организмах их работа скоординирована, и организм представляет собой целостную систему.

Вопрос 4. Почему со временем формулировки положений клеточной теории изменились, а их количество увеличилось?

Первоначальная клеточная теория многократно уточнялась и дополнялась. В частности, её основоположники ошибочно считали возможным воссоздание клеток из неклеточного вещества. Кроме того, практически ничего не было известно о вирусах, которые сейчас считают неклеточными формами жизни.

Т.е. можно сказать, что первоначальные и современные положения клеточной теории во многом перекликаются. Углубленные и расширенные постулаты отражают современный уровень знаний по вопросу строения, жизни и взаимодействия клеток.

Вопрос 5. Используя дополнительные источники информации, подготовьте доклад о жизни и деятельности А. Ван Левенгука.

Антони ван Левенгук (Antoni van Leeuwenhoek, Thonius Philips van Leeuwenhoek) — нидерландский натуралист, конструктор микроскопов, основоположник научной микроскопии, исследовавший с помощью своих микроскопов структуру различных форм живой материи.

Биография. Левенгук родился 24 октября 1632 года в городе Делфт (Delft) в семействе бедняков Маргарет ван ден Берх (Grietje van den Berch) и Филипса Тонисзона (Philips Thoniszoon), который плел и продавал корзины. Сына отец мечтал обучить профессии суконщика.

В 6 лет мальчик потерял отца, а мать устроила его обучаться в гимназии, находившейся в предместье города Лейден (Leiden). Считается, что фамилию мальчик придумал себе сам: она образована от названия находившихся недалеко от отчего дома Львиных ворот (Leeuwenpoort), к которому он добавил часть hoek («уголок»). Дядя будущего натуралиста обучил его основам математики и физики.

В 1648 году Антони отправился в Амстердам учиться на бухгалтера, но вместо учёбы устроился на работу в галантерейную лавку. Там он впервые увидел простейший микроскоп — увеличивающее стекло, которое устанавливалось на небольшом штативе и использовалось текстильщиками. Вскоре он приобрёл себе такой же.

В 1654 году он вернулся в родной Делфт, где затем жил до самой смерти. В июне 1654 года он женился на Барбаре де Мей (Barbara de Mey), четверо их детей умерло во младенчестве, дочь Мария была не просто единственным выжившим его ребенком, она была его другом и с увлечением рассматривала в микроскопе все, что исследовал ее отец. Его первая жена Барбара умерла в 1666 году и в 1671 году Левенгук женился Корнелия Швальмиус (Cornelia Swalmius), с которой у него не было детей.

В родном городе Делфте он был известным и уважаемым человеком, в местной ратуше он получил должность стража судебной палаты, затем инспектора винной палаты города. Он прожил долгую жизнь, занимаясь своими исследованиями, совершенствонием микроскопов, линз и методов исследования. Умер Антони ван Левенгук 26 августа 1723 Делфте и завещал свои микроскопы Лондоскому Королевскому обществу.

Изобретатель. Левенгук с детства интересовался науками. В 1665 году ему в руки попадает научный трактат англичанина Роберта Гука «Микрография» (Robert Hooke, «Micrographia»). Левенгук постепенно увлекся изготовлением увеличительных стекол, приобрел навыки шлифовальщика и прославился как искуснейший мастер. С тех пор он увлекся исследованиями явлений окружающего мира с помощью увеличительного стекла. Особенно заинтересовали его изыскания в области зоологии, которые он проводил сообща с Марчелло Мальпиги (Marcello Malpighi). Левенгук внес значительный вклад в развитие микроскопических исследований.

Изготовление линз. Освоив ремесло шлифовальщика, Левенгук стал очень искусным и успешным изготовителем линз. Устанавливая свои линзы в металлические оправы (ученый делал тончайшие линзы в оправах из меди, серебра, золота), он собрал микроскоп и с его помощью проводил самые передовые по тем временам исследования. Линзы, которые он изготавливал, были неудобны и малы, для работы с ними нужен был определённый навык, однако с их помощью был сделан ряд важнейших открытий.

Всего за свою жизнь он изготовил более 500 линз и как минимум 25 микроскопов, 9 из которых дошли до наших дней. Это бесценные реликвии истории науки, истории поиска и великих открытий. Считается, что Левенгук сумел создать микроскоп, позволявший получить 500 — кратное увеличение, однако максимальное увеличение, которое можно получить при помощи сохранившихся микроскопов, составляет 275. Они увеличивали в 275 раз. По мнению современных исследователей, Левенгук владел искусством не только шлифовки, но и производства линз путем расплавления тонкой нити из стекла и обработки горячей стеклянной капли сферической формы.

Открытия. Наблюдаемые объекты Левенгук зарисовывал, а свои наблюдения описывал в письмах (общим количеством около 300), которые на протяжении более чем 50 лет отсылал в Лондонское королевское общество, а также некоторым учёным. В 1673 году его письмо впервые было опубликовано в журнале Лондонского королевского общества «Философские записки» (англ. Philosophical Transactions).

Однако в 1676 году достоверность его исследований была поставлена под сомнение, когда он отослал копию своих наблюдений одноклеточных организмов, о существовании которых до этого времени ничего не было известно. Несмотря на репутацию исследователя, заслуживающего доверия, его наблюдения были встречены с некоторым скептицизмом. Чтобы проверить их достоверность, в Делфт отправилась группа учёных во главе с Неемией Грю, который подтвердил подлинность всех исследований. 8 февраля 1680 года Левенгук был избран действительным членом Лондонского Королевского общества.

В числе прочего, А. Левенгук (1680) открыл мир одноклеточных организмов и впервые увидел клетки животных (эритроциты), описал бактерии (1683), дрожжи, простейших, волокна хрусталика, чешуйки эпидермиса кожи, зарисовал сперматозоиды (1677), строение глаз насекомых и мышечных волокон. Нашёл и описал ряд коловраток, почкование гидр и т. п. Открыл инфузории и описал многие их формы.

Работы. Данные своих наблюдений он опубликовал в книге «Тайны природы». Иллюстрации к этой книге чётко демонстрируют клеточные структуры растительных и животных организмов. Однако А.Левенгук не представлял описанные морфологические структуры как клеточные образования. Его исследования имели случайный, не систематизированный характер.

В течение почти 50 лет Левенгук писал письма в Лондонское королевское общество, членом которого был избран в 1680 году. Письма эти, предназначенные для публикации в научных журналах, были прижизненно изданы многотомными собраниями на нидерландском и латинском языках:

Sendbrieven ontleedingen en ontkellingen etc.: 7 т. — Лейден и Дельфт, 1685—1718.

Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопов (лат. Opera omnia s. Arcana naturae etc. — Все работы или Тайны природы): 7 т. Лейден, 1695—1722.

После смерти работы также изданы в извлечении на английском языке (2 т.; Лондон, 1798—1801).

Вопрос 6. Как можно связать клеточную теорию с техническим прогрессом?

Не только наука влияла на успехи техника, но и техника, ставя перед наукой новые проблемы, оснащая ее современными технологиями, стимулировала эволюцию науки.

Так прогресс в изучении клетки связан с развитием микроскопии в XIX веке и методов исследования клетки. А поскольку микрокопирование основной метод изучения клеток, поэтому оформление клеточной теории шло одновременно с развитием и усовершенствованием техники. В то время представление о строении клетки изменилось: за основу клетки принималась не клеточная оболочка, а её содержимое — протоплазма. Тогда же открыли ядро как постоянный элемент клетки. Сведения о тонком строении и развитии тканей и клеток давали возможность сделать обобщение. Такое обобщение сделал в 1839 г. немецкий биолог Т. Шванн в виде сформулированной им клеточной теории. Поэтому, можно сказать, что благодаря техническому прогрессу, была создана клеточная теория.

Вопрос 7. Возможно ли обновление или дополнение клеточной теории в настоящее время? Обоснуйте.

Я думаю, что пока нет. Ученые практически детально исследовали клетку, ее структурные элементы и определили их роль. Пока никаких изменений.

Вопрос 8. Обсудите с одноклассниками, почему с момента первого описания клеток до создания клеточной теории прошло так много лет.

С момента обнаружения клеток, до создания клеточной теории, прошло больше 150 лет. Клетки очень маленькие структуры, для рассмотрения их человеческим глазом. Поэтому нужны были специальные увеличивающие приборы — микроскопы — для детального изучения клеток. И только лишь с начала XIХ века, с развитием микроскопии, стало возможным понемногу рассматривать клетку. Что дало толчок на обобщение знаний о ней и создание клеточной теории.

Вопрос 9. Выскажите своё мнение по поводу следующего утверждения: все клетки одного организма генетически идентичны. Аргументируйте свою позицию.

Все клетки многоклеточных организмов содержат идентичный, уникальный для данного вида набор хромосом. Благодаря точному и равномерному распределению хромосом при митозе (расхождение хромосом к разным полюсам клетки в анафазе) все клетки организма генетически идентичны.

Разные клетки многоклеточного организма если и не идентичны, то крайне похожи генетически. Перечислим некоторые опыты, которыми это предположение можно подкрепить. Известны опыты Дж. Гердона по пересадке ядер. Из оплодотворенной яйцеклетки лягушки извлекалось ее ядро, а вместо него вводилось ядро из эпителиальной или другой клетки лягушки. Яйцеклетка развивалась и делилась, в итоге получалась нормальная лягушка. Это показывает, что ядерные генетические аппараты яйцеклетки и клетки эпителия взаимозаменяемы. На аналогичные соображения наводят многочисленные случаи вегетативного размножения у животных и растений: дочерние особи, неотличимые от родительских, возникают из соматических клеток последних.

Современные методы молекулярной биологии и генной инженерии позволяют применить другой подход. Прямо сравнить первичную структуру всей ДНК из двух клеток в настоящее время невозможно, но любой отдельный ген можно выделить и охарактеризовать его положение в хромосоме, количество копий этого гена на клетку, его первичную структуру. Затем можно выяснить, во всех ли клетках имеется этот ген и одинаково ли он расположен.

Но, наряду с правилом генетической идентичности клеток, встречаются отклонения от этого правила. Начнем с наиболее демонстративных. Так, в некоторых клетках многоклеточных организмов нет ядра (эритроциты млекопитающих, зрелые ситовидные трубки флоэмы). У этих же клеток нет митохондрий. Во многих растительных клетках нет пластид или варьируется их общее количество (и, соответственно, количество пластидной ДНК). В ряде растительных и животных клеток может меняться число митохондрий и митохондриальной ДНК.

В генетический материал, содержащийся в клетке, можно включить плазмиды бактерий и грибов, а также размножающиеся внутри клетки вирусы. Понятно, что количество и состав этих генетических элементов не одинаковы в разных клетках (например, РНК — содержащий вирус полиомиелита поражает клетки слизистой оболочки кишечника, а ДНК — содержащий вирус гепатита В — клетки печени).

Клетки могут отличаться по количеству наборов хромосом. Как известно, высшие эукариоты в основном диплоидны. Однако в составе в основном диплоидных организмов обязательно встречаются гаплоидные клетки (прошедшие мейоз предшественницы половых клеток; сами половые клетки; эндосперм у голосеменных).

Эндосперм покрытосеменных триплоиден. В организме животных повышена плоидность клеток ряда органов (в печени, например, клетки могут быть октаплоидны; сильно умножается число хромосомных наборов в слюнных железах насекомых). У споровых растений есть самостоятельное гаплоидное поколение, формирующее гаметы, но при этом у мхов диплоидное поколение формируется прямо на гаплоидном. В жизненных циклах грибов встречаются разнообразные сочетания клеток разной плоидности.

Умножаться или утрачиваться могут не полные наборы, а отдельные хромосомы. (Если такое происходит в зиготе, то это обычно ведет к наследственным болезням. Правда, тогда все клетки организма хоть и аномальны, но одинаковы, и данный случай не является ответом на вопрос.)

Далее, имеется великое множество примеров, когда отдельные гены меняют свое положение внутри одной хромосомы или даже переходят в другую. В разных клетках это может происходить по — разному. Иногда направленные перестройки ДНК происходят в ходе индивидуального развития организма. Например, в раннем развитии яиц некоторых пресноводных рачков имеется особая стадия, когда все клетки, кроме одной, одновременно утрачивают большое количество ДНК. Эта ДНК ничего не кодирует (так называемая сателлитная ДНК). У взрослого организма большинство клеток содержит мало сателлитной ДНК, и только клетки зародышевого пути, чья предковая клетка оставалась без изменений, содержат всю сателлитную ДНК.

Наконец, многие клетки организмов время от времени делятся, и во всех клетках без исключения идет репарация — «залечивание» случайных повреждений в цепях ДНК. И тот, и другой процессы идут хоть и с высокой, но не со стопроцентной точностью. Ошибки репарации и репликации — важнейший источник мутаций. В разных соматических клетках организма набор этих мутаций обязательно оказывается разным. Кстати, на этом основан один из способов получения новых сортов растений. Так как из одной клетки, например, листа растения можно вырастить целое растение, то поступают следующим образом: выделяют много клеток из многих листьев, из них выращивают целые растения, а поскольку в исходных клетках были разные мутации, то и среди полученных растений в изобилии находят мутантов, в том числе иногда с нужными свойствами.

Вопрос 10. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 «Сравнение строения клеток растений, животных, грибов и бактерий под микроскопом на готовых микропрепаратах и их описание».

Цель: на основе изучения клеток разных организмов выявить основные черты сходства и различия в их строении.

Оборудование: микроскоп, готовые микропрепараты клеток растений, животных, грибов и бактерий.

Ход работы:

1. Настройте микроскоп на малое увеличение и рассмотрите готовые микропрепараты. Зарисуйте увиденное.

Клетки в общем будут выглядеть так:

Клетка бактерий

2. Переведите настройки микроскопа на большое увеличение и снова рассмотрите клетки организмов. Сделайте соответствующие рисунки.

3. Сделайте вывод на основе проведённого исследования.

Сходства:

1. Все клетки имеют сходное строение.

2. Во всех клетках есть плазматическая мембрана, хромосомы, цитоплазма, цитоскелет, рибосомы.

3. Больше схожи между собой клетки животных, растений и грибов.

Различия:

Вывод: Все живое, что есть на нашей планете, состоит из клеток. Клеточная структура всех живых существ — основа родства всего живого, что есть на нашей планете. Но между клетками растений, грибов, бактерий и животных существует множество существенных отличий. Чтобы разобраться, в чем они похожи и чем отличаются, нужно подробно рассмотреть строение каждой из разновидностей клеток. Все животные, грибы и растения имеют много общего в своей структуре. В составе своих клеток все они имеют: ядро, митохондрии, цитоплазматическую мембрану, эндоплазматическую сеть, цитоплазму, аппарат Гольджи.