Целая плеяда выдающихся ученых прошлого - Роберт Гук, Антони ван Левенгук, Теодор Шванн, Матиасс Шлейден, своими открытиями в области изучения природы подготовили почву для формирования важнейшей отрасли современной биологической науки – цитологии. Она изучает строение и свойства клетки, являющейся элементарной носительницей жизни на Земле. Фундаментальные знания, полученные в результате развития науки о клетке, подвигли исследователей на создание таких дисциплин, как генетика, молекулярная биология, биохимия.
Научные открытия, сделанные в них, полностью изменили облик планеты и привели к появлению клонов, генномодифицированных организмов и искусственного интеллекта. Наша статья поможет разобраться с основными методами цитологических экспериментов и выяснить строение и функции клеток.
Как изучают клетку
Как и 500 лет назад, световой микроскоп является главным прибором, помогающим изучать строение и свойства клетки. Конечно, его внешний вид и оптические характеристики не идут ни в какое сравнение с первыми микроскопами, созданными отцом и сыном Янсенсами или Робертом Гуком в середине XVI века. Разрешающая способность современных световых микроскопов увеличивает размеры клеточных структур в 3000 раз. Растровые сканирующие приборы могут фиксировать изображение таких субмикроскопических объектов, как бактерии или вирусы, причем последние настолько малы, что даже не являются клетками. В цитологии активно используют метод меченых атомов, а также прижизненное изучение клеток, благодаря которым выясняют особенности клеточных процессов.
Центрифугирование
Чтобы разделить клеточное содержимое на фракции и изучить свойства и функции клетки, цитологии применяют центрифугу. Она работает по тому же принципу, что и одноименная часть в стиральных машинах. Создавая центробежное ускорение, прибор разгоняет клеточную взвесь, и поскольку органоиды имеют различную плотность, они оседают послойно. Внизу оказываются крупные части, такие как ядра, митохондрии или пластиды, а в верхних насадках ректификационной решетки центрифуги располагаются микрофиламенты цитоскелета, рибосомы и пероксисомы. Полученные слои разделяют, так удобнее изучать особенности биохимического состава органелл.
Клеточное строение растений
Свойства растительной клетки во многом похожи на функции животных клеток. Однако даже школьник, рассматривая в окуляр микроскопа фиксированные препараты клеток растений, животных или человека, обнаружит черты различия. Это геометрически правильные контуры, наличие плотной целлюлозной оболочки и крупных вакуолей, характерное для растительных клеток. И еще одно отличие, которое полностью выделяет растения в группу автотрофных организмов, – присутствие в цитоплазме хорошо видимых овальных телец зеленого цвета. Это хлоропласты – визитная карточка растений. Ведь именно они способны улавливать световую энергию, переводить ее в энергию макроэргических связей АТФ, а также образовывать органические соединения: крахмал, белки и жиры. Фотосинтез, таким образом, определяет автотрофные свойства клетки растения.
Самостоятельный синтез трофических веществ
Остановимся на процессе, благодаря которому, по словам выдающегося российского ученого К. А.Тимирязева, растения играют в эволюции космическую роль. На Земле существует примерно 350 тыс. видов растений, начиная от одноклеточных водорослей вроде хлореллы или хламидомонады и заканчивая гигантскими деревьями – секвойями, достигающими высоты 115 метров. Все они поглощают углекислоту, превращая ее в глюкозу, аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Эти вещества служат питанием не только самому растению, но и используются организмами, которые называются гетеротрофами: грибами, животными и человеком. Такие свойства клетки растений, как способность к синтезу органических соединений и образованию жизненно важного вещества – кислорода, подтверждают факт исключительной роли автотрофов для жизни на Земле.
Классификация пластид
Трудно остаться равнодушным, созерцая феерию красок цветущих роз или осеннего леса. Окраска растений обусловлена специальными органоидами – пластидами, характерными только для растительных клеток. Можно утверждать, что наличие специальных пигментов в их составе влияет на функции хлоропластов, хромопластов и лейкопластов в обмене веществ. Органеллы, содержащие зеленый пигмент хлорофилл, обуславливают важные свойства клетки и отвечают за процесс фотосинтеза. Они также могут превращаться в хромопласты. Это явление мы наблюдаем, например, осенью, когда зеленые листья деревьев становятся золотыми, фиолетовыми или багряными. Лейкопласты могут трансформироваться в хромопласты, например, томаты молочной спелости дозревают до оранжевого или красного цвета. Они способны переходить и в хлоропласты, например, появление зеленого цвета на кожуре картофельных клубней происходит при их длительном хранении на свету.
Механизм образования растительных тканей
Одна из отличительных черт клеток высших растений – это наличие твердой и прочной оболочки. Обычно она содержит макромолекулы целлюлозы, лигнина или пектина. Устойчивость и сопротивление к сжатию и другим механическим деформациям, выделяют растительные ткани в группу наиболее жестких природных конструкций, способных выдерживать большие нагрузки (вспомним, например, свойства древесины). Между ее клетками возникает множество цитоплазматических тяжей, проходящих через отверстия в оболочках, которые, подобно упругим нитям, сшивают их между собой. Поэтому прочность и твердость - это основные свойства клетки растительного организма.
Плазмолиз и деплазмолиз
Наличие перфорированных стенок, отвечающих за передвижение воды, минеральных солей и фитогормонов, можно обнаружить благодаря явлению плазмолиза. Поместим растительную клетку в гипертонический раствор поваренной соли. Вода из ее цитоплазмы будет диффундировать наружу, а в микроскоп мы увидим процесс отслоения пристеночного слоя гиалоплазмы. Клетка съеживается, ее объем уменьшается, т.е. происходит плазмолиз. Возвратить исходную форму можно, добавив на предметное стекло несколько капель воды и создав концентрацию раствора ниже, чем в цитоплазме клетки. Молекулы Н2О будут через поры в оболочке поступать вовнутрь, объем и внутриклеточное давление клетки увеличатся. Этот процесс назвали деплазмолизом.
Специфика строения и функций животных клеток
Отсутствие в цитоплазме хлоропластов, тонкие мембраны, лишенные наружной оболочки, мелкие вакуоли, выполняющие в основном пищеварительные или выделительные функции – все это относится к клеткам животных и человека. Их разнообразный внешний вид и гетеротрофный способ питания – еще одна отличительная черта.
Многие клетки, представляющие собой отдельные организмы, или входящие в состав тканей, способны к активному движению. Это фагоциты и сперматозоиды млекопитающих, амеба, инфузория-туфелька и т. д. Объединение клеток животных в ткани осуществляется благодаря надмембранному комплексу – гликокаликсу. Он состоит из гликолипидов и белков, связанных с углеводами, и способствует адгезии – слипанию клеточных мембран между собой, приводящей к образованию ткани. Также в гликокаликсе происходит внеклеточное пищеварение. Гетеротрофный способ питания обуславливает присутствие в клетках целого арсенала пищеварительных ферментов, сосредоточенного в специальных органеллах – лизосомах, которые формируются в аппарате Гольджи – обязательной одномембранной структуре цитоплазмы.
В клетках животных эта органелла представлена общей сетью каналов и цистерн, а у растений имеет вид многочисленных разобщенных структурных единиц. Как растительные, так и животные соматические клетки делятся митозом, а гаметы – мейозом.
Итак, мы установили, что от особенностей микроскопического строения и функций органелл будет зависеть то, какими свойствами обладают клетки различных групп живых организмов.
