Ученый который ввел постулат клеточной теории. Основные положения клеточной теории - постулаты единства всего живого

Лекция 1 Клеточная теория Общие схемы строения прокариот и эукариот (растения и животные) Основные методы исследования клеток Микроскоп Гука (около 1660 г.) Первый рисунок клеток Роберт Гук, пробка, 1665 г. Лупа (“микроскоп”) Левенгука, конец 17 века (копия) Бактерии из полости рта Теория и микроскоп Аббе Изображение в микроскопе формируется в результате интерференции прямого и дифрагированного света. Объектив и окуляр микроскопа рассчитываются математически. Предел разрешения микроскопа – около половины длины волны (0,61λ/NA). Клетка - элементарная единица жизни Клетка - открытая система, отделенная от внешней среды липопротеидной мембраной, способная к длительному самоподдержанию, росту и размножению без участия других клеток. Источником энергии для жизнедеятельности клетки являются химические реакции. Основные положения клеточной теории: 1. Все организмы состоят из клеток. 2. Новые клетки появляются только путем деления предсуществующих клеток (omnis cellula e cellula– Р. Вирхов). 3. Клетки разных организмов устроены и функционируют по единому плану. Основные постулаты клеточной биологии 1. Клеточная теория – клетка есть элементарная единица живого. 2. Клетка способна к размножению, ограничиваемому только внешней средой. 3. Поведение клеток описывается законами физиологии. 4. Клетки способны образовывать сложные популяции (колонии, ткани, органы) . 5. Клетки многоклеточного организма в процессе его формирования дифференцируются и утрачивают свою автономность. Биологические законы в клеточной биологии 1. Основной закон физиологии: «все или ничего». 2. Гомеостаз внутренней среды. 3. Принцип эквифинальности в развитии (онтогенез и филогенез). 4. Способность клеток и субклеточных структур к самоорганизации. 5. Принцип несводимости – поведение клеточных популяций (ткани, органы) не описывается через поведение клеток; поведение клеток не описывается через поведение макромолекул. Бактериальная клетка, срез Бактериальная клетка, выросты поверхности Схема бактериальной клетки Животные клетки Животная клетка схема Растительная клетка Растительная клетка (схема) Компоненты эукариотической клетки Ядро: хранение, воспроизведение и реализация генетической информации (ДНК, РНК). Гиалоплазма (цитозоль): система основного обмена. Плазматическая мембрана: барьерно-рецепторная система. Цитоскелет: опорно-двигательная система. Вакуолярная система: система аккумуляции и сегрегации биополимеров (белков, углеводов) и продуктов метаболизма. Митохондрии: энергообеспечение (электрохимический потенциал и синтез АТФ) Пластиды: фотосинтез углеводов и АТФ. Прокариоты и эукариоты – сходство 1. Плазматическая липопротеидная мембрана с избирательной проницаемостью. 2. ДНК – РНК – белок: ферменты, рибосомы, генетический код. 3. Деление клетки – после репликации ДНК по полуконсервативному механизму. 4. Нуклеозидтрифосфаты как основное промежуточное звено в биоэнергетике. 5. Эффективный синтез АТФ связанный с мембраной (протонная помпа). Различия Прокариоты Эукариоты Только плазмалемма Мембранные органеллы Одна кольцевая ДНК, опероны Несколько линейных ДНК, индивидуальные промоторы и энхансеры каждого гена Транскрипция и трансляция идут одновременно Транскрипция и трансляция разобщены Гистонов нет Хроматин есть Митотического аппарата нет Митотический аппарат есть Цитоскелета нет, транспорт за счет диффузии Цитоплазма анизотропна, есть цитоскелет и быстрый транспорт вдоль него Бактериальный жгутик, который вращается в мембране Центриоль и эукариотический закрепленный жгутик Размер клетки: 0,5-2 мкм Размер клетки: 3-50 мкм Клетки многоклеточного организма 1. В начале развития (дробление или ранний эмбриогенез) разделяются на клетки зародышевого пути (дают гаметы или споры) и соматические клетки (погибают). 2. Обособление соматических клеток происходит путем репрессии некоторых генов у большинства животных и растений и путем диминуции хроматина (выброса хромосом) у некоторых животных. 3. Среди соматических и половых клеток обособляются т.н. стволовые клетки, которые поддерживают соответствующие диффероны. 4. Дифференцировка соматических клеток, как правило, означает перестройку профиля экспрессии разных генов, но не изменение генома. 5. Дифференцировака половых клеток включает в себя деметилирование ДНК и проверку генома, а также мейоз. Основные методы клеточной биологии 1. Исследование фиксированных клеток – микроскопия световая и электронная. 2. Исследование живых клеток – культура ткани, световая микроскопия. 3. Проточная цитофлюориметрия и сортировка клеток. 4. Направленная регуляция экспрессии генов и белков. 5. Фракционирование компонентов живых клеток и исследование бесклеточных систем (экстрактов). 6. Исследование белков и нуклеиновых кислот на уровне одиночных клеток. Микроскопия световая Световой микроскоп (просвечивающий, флюоресцентный, конфокальный) имеет пределе разрешения в 0,25 мкм (увеличение в 10-1500 раз), он позволяет исследовать живые и фиксированные клетки. Окраски – поглощающие красители и флюоресцентные красители. Ограничения световой микроскопии: разрешающая способность и малая глубина резкости. Способы освещения: проходящий свет (светлое поле, фазовый и интерференционный контраст), падающий свет (флюоресценция). Флюоресцентная микроскопия позволяет детектировать отдельные молекулы. Исследовательский флюоресцентный микроскоп Диатомовые водоросли, объектив х100 Флуоресцентная микроскопия Лазерный сканирующий конфокальный микроскоп Охлаждаемая ПЗС камера Камера позволяет регистрировать флюоресценцию отдельных молекул – квантовый выход достигает 95% Усиление контраста за счет динамического диапазона камеры Исходный контраст Контраст, увеличенный в 50 раз Световая микроскопия: переход за дифракционный предел разрешения Принцип: детекция отдельных молекул и восстановление их положения рассчетными методами. Практическое разрешение – около 25 нм STORM микроскопия, 2 цвета Клатриновые пузырьки и микротрубочки, разрешение около 20 нм Электронный микроскоп, общий вид Микроскопия электронная Электронный микроскоп (просвечивающий) – разрешение до 0,3 нм (увеличение в 1000-1000000 раз). Требует высокого вакуума. Исследуются только тонкие препараты фиксированных клеток, выделенные компоненты клеток, макромолекулы. Окраски – соли тяжелых металлов (уран, свинец, осмий и др.), наночастицы золота, напыление платиной и т.д. Сканирующий электронный микроскоп – поверхность клеток при увеличении 100-100000 раз. Ультратонкий (~0.07 мкм) срез животной клетки Растровая электронная микроскопия (во вторичных электронах) Фиксация препаратов для микроскопии Требования: быстрое проникновение в ткань, минимальное нарушение относительного расположения молекул (структуры), создание трехмерной прочной структуры (сшивки макромолекул), минимальная экстракция. Фиксаторы для световой микроскопии: формалин и др. альдегиды, специальные фиксаторы (уксусная кислота, метиловый спирт и проч.) Фиксатор для электронной микроскопии: глютаровый альдегид, затем OsO4 (на буфере, рН 7.2). Быстрое замораживание с последующей химической фиксацией. Получение препаратов для микроскопии Обезвоживание фиксированных образцов, пропитка и заключение в парафин или эпоксидную смолу. Срезы: толщина 5 мкм для световой микроскопии (микротом) и 0,07 мкм для электронной микроскопии (ультрамикротом). Окраски для световой микроскопии: общие (гематоксилинэозин, азур-эозин и проч.) и специальные – выявление отдельных белков, углводов и др. компонентов (цитохимия, иммунохимия). Окраски для электронной микроскопии: общие (уранил-ацетатцитрат свинца) и специальные (иммунохимия с наночастицами золота). Ограничения микроскопического анализа Световой микроскоп – малая глубина резкости при большом увеличении (оптические срезы около 0,5 мкм); разрешающая способность ограничена диском Эри. Электронный микроскоп – малая проникающая способность электронов (0,1-1 мкм). Поэтому объемное увеличенное изображение всегда есть результат реконструкции или томографии. Томография в ЭМ зеленые – хлоропласты красные – митохондрии синие – пероксисомы серая – клеточная стенка Проточный флюориметр Схема простейшего проточного цитофлюориметра Flow cell PMT Longpass Filter 4 PMT Dichroic Mirrors 3 PMT 2 PMT Lens Diode Bandpass Filters 1 Laser (488 nm) (modified from Purdue University Cytometry Laboratories) Молекулярные методы исследования 1. Выделение белков, нуклеиновых кислот, липидов и т.д.: ультрацентрифугирование; гель-фильтрация; электрофорез (хроматография); иммунохимия и их сочетания. 2. Исследования фрагментов ДНК - полимеразная цепная реакция (ПЦР); секвенирование нуклеиновых кислот. 3. Исследования белков и их фрагментов (MALDIспектрометрия и др.). 4. Визуализация отдельных молекул с помощью флюоресцентных меток (световая микроскопия). Чип для исследования отдельных клеток Слева – ячейка для манипуляций с отдельными клетками; в центре – отсек для детектирования отдельных молекул. Справа: вверху – схема лазерной перетяжки; внизу – фотографии отдельных молекул (кадр с ПЗС-камеры).

Клеточная теория представляет собой научное обобщение, вывод, заключение, к которому пришли ученые в XIX веке. В ней можно выделить два ключевых положения:

Все живые организмы имеют клеточное строение. Вне клетки жизни нет.

Каждая новая клетка появляется только путем деления ранее существующей. Каждая клетка происходит от другой клетки.

Эти выводы были сделаны в разными учеными в разное время. Первое - Т. Шванном в 1839 году, второе - Р. Вирховым в 1855 г. Кроме них на становление клеточной теории оказали влияние другие исследователи.

В XVII веке был изобретен микроскоп. Р. Гук впервые увидел клетки растений. На протяжении полутора-двух веков ученые наблюдали клетки разных организмов, в том числе простейших. Постепенно приходило понимание важной роли внутреннего содержимого клеток, а не их стенок. Было открыто клеточное ядро.

В 30-х годах XIX века М. Шлейден изложил ряд особенностей клеточного строения растений. Пользуясь этими данными, а также своими исследованиями животных клеток, Т. Шванн сформулировал клеточную теорию, обобщив особенности клеточного строения на все живые организмы:

все организмы состоят из клеток,

клетка - наименьшая структурная единица живого,

многоклеточные организмы состоят из множества клеток;

рост организмов осуществляется путем возникновения новых клеток.

При этом Шлейден и Шванн ошибались по поводу способа возникновения новых клеток. Они полагали, что клетка появляется из неклеточного слизистого вещества, которое сначала формирует ядро, а потом вокруг него образуется цитоплазма и мембрана. Чуть позже исследования других ученых показали, что клетки появляются путем деления, и в 50-х годах XIX века Вирхов дополнил клеточную теорию положением, что каждая клетка может произойти только от другой клетки.

Современная клеточная теория

Современная клеточная теория дополняет и конкретизирует обобщения XIX. Согласно ей жизнь в ее структурной, функциональном и генетическом проявлении обеспечивается только клеткой . Клетка - это биологическая единица, которая способна осуществлять обмен веществ, превращать и использовать энергию, хранить и реализовывать биологическую информацию.

Клетка рассматривается как элементарная система, лежащая в основе строения, жизнедеятельности, размножения, роста и развития всех живых организмов.

Клетки всех организмов возникают путем деления предшествующих клеток. Процессы митоза и мейоза всех эукариот практически одинаковы, что говорит о единстве их происхождения. Все клетки одинаково редуплицируют ДНК, у них сходны механизмы биосинтеза белка, регуляции обмена веществ, сохранения, переноса и использования энергии.

Современная клеточная теория рассматривает многоклеточный организм не как механическую совокупность клеток (что было характерно для XIX века), а как целостную систему , обладающую новыми качествами за счет взаимодействия составляющих его клеток. При этом клетки многоклеточных организмов остаются их структурно-функциональными единицами, хотя отдельно существовать не могут (за исключением гамет, спор).

Контрольная работа по теме: «

1.Основные постулаты «клеточной теории» сформулировали в 1838-1839гг.:

1. А. Левенгук, Р. Броун

2. Т. Шванн, М. Шлейден

3. Р. Броун, М. Шлейден

4.Т. Шванн, Р. Вирхов.

2. Фотосинтез происходит:

1 . в хлоропластах 2. в вакуолях

3 . в лейкопластах 4. в цитоплазме

3. Белки, жиры и углеводы накапливаются про запас:

1 . в рибосомах 2. в комплексе Гольджи

3 . в митохондриях 4.в цитоплазме

4. Какую долю (%) в клетке в среднем составляют макроэлементы

1. 80% 2. 20 % 3. 40% 4. 98%

5. Клетки не синтезирующие органические вещества, а использующие готовые

1. автотрофы 2. гетеротрофы

3. прокариоты 4. эукариоты

6.Одна из функций клеточного центра

1.Образование веретена деления

2.Формирование ядерной оболочки

3.Управление биосинтезом белка

4.Перемещение веществ в клетке

7.В лизосомах происходит

1.Синтез белков

2.Фотосинтез

3.Расщепление органических веществ

4.Коньюгация хромосом

8.

органоиды

9. Мембраны и каналы гранулярной эндоплазматической сети (ЭПС) осуществляют синтез и транспорт:

1. белков 2. липидов

3.углеводов 4. нуклеиновых кислот.

10. В цистернах и пузырьках аппарата Гольджи осуществляется:

1. секреция белков

2. синтез белков, секреция углеводов и липидов

3. синтез углеводов и липидов, секреция белков, углеводов и липидов.

4. синтез белков и углеводов, секреция липидов и углеводов.

11.Клеточный центр присутствует в клетках:

1. всех организмов 2. только животных

3. только растений 4. всех животных и низших растений.

Вторая часть

В-1 Какие структуры клетки претерпевают наибольшие изменения в процессе митоза?

1)ядро 4)лизосомы

2)цитоплазма 5)клеточный центр

3)рибосомы 6)хромосомы

В-3 Установите соответствие между особенностью обмена веществ и группой организмов, для которого она характерна.

ОСОБЕННОСТЬ ОРГАНИЗМЫ

а) выделение кислорода в атмосферу 1)автотрофы

б) использование энергии пищи, для синтеза АТФ 2)гетеротрофы

в) использование готовых органических веществ

г) синтез органических веществ из неорганических

д) использование углекислого газа для питания

В-4. Установите соответствие между процессом, протекающим в клетке, и органоидом, для которого он характерен.

ПРОЦЕСС ОРГАНОИД

А) восстановление углекислого газа до глюкозы 1) митохондрия

Б) синтез АТФ в процессе дыхания 2)хлоропласт

В) первичный синтез органических веществ

Г) превращение световой энергии в химическую

Д) расщепление органических веществ до углекислого газа и воды.

Контрольная работа по теме: « Клеточное строение организмов»

1. Оболочки клеток состоят из:

1. плазмалеммы (цитоплазматической мембраны)

2. плазмалеммы у животных и клеточных стенок у растений

3. клеточных стенок

4. плазмалеммы у животных, плазмалеммы и клеточных стенок у растений.

2 .Функции «силовых станций» выполняют в клетке:

1 . рибосомы

2 . митохондрии

3 . цитоплазме

4 . вакуоли

3 .Органоид, участвующий в делении клетки:

1 . рибосомы

2 . пластиды

3 . Митохондрии

4 .клеточный центр

4.Клетки, синтезирующие органические вещества из неорганических

1. автотрофы

2. гетеротрофы

3. прокариоты

4. эукариоты

5.Наука изучающая строение и жизнедеятельность клетки

1.Биология 2.Цитология

3.Гистология 4.Физиология

6.Немембранный органоид клетки

1.Клеточный центр 2.Лизосома

3.Митохондрия 4.Вакуоль

7. Распределите характеристики соответственно органоидам клетки (поставьте буквы
соответствующие характеристикам органоида, напротив названия органоида).

органоиды

8. Основной запасной углевод в животных клетках:

1. крахмал 2. глюкоза 3. гликоген 4. жир

9. Мембраны и каналы гладкой эндоплазматической сети (ЭПС) осуществляют синтез и транспорт:

1 белков и углеводов 2 липидов 3 жиров и углеводов 4нуклеиновых кислот

10.Лизосомы формируются на:

1. каналах гладкой ЭПС

2. каналах шероховатой ЭПС

3. цистернах аппарата Гольджи

4. внутренней поверхности плазмалеммы.

11.Микротрубочки клеточного центра участвуют в формировании:

1. только цитоскелета клетки

2. веретена деления

3. жгутиков и ресничек

4. цитоскелета клетки, жгутиков и ресничек.

Вторая часть

В-1.Основные положения клеточной теории позволяют сделать вывод о

1)биогенной миграции атомов

2)родстве организмов

3)происхождении растений и животных от общего предка

4)появлении жизни около 4,5 млрд.лет назад

5)сходном строении клеток всех организмов

6)взаимосвязи живой и неживой природы

В-3 Установите соответствие между строением, функцией органоидов клетки и их видом.

СТРОЕНИЕ, ФУНКЦИИ ОРГАНОИДЫ

В) обеспечивает образование кислорода

Г) обеспечивает окисление органических веществ

ОТВЕТЫ

В-1 1-2, 2-1, 3-2, 4-4, 5-2, 6-1, 7-3, 8-1н,2д,3к,4мо,5б,6ж,7е,8а,9гп,10л; 9-1,10-3 ,11-4

В-1 156; В-2 256; В-3 12211; В-4 21221.

В-2 1-4, 2-2, 3-4, 4-1,5-2, 6-1, 7-1н,2д,3к,4мо,5б,6ж,7е,8а,9гп,10л; 8-3, 9-3, 10-3,11-2

В-1 235; В-2 346; В-3 21212; В-4 246.

Лишь один постулат клеточной теории оказался опровергнутым. Открытие вирусов показало, что утверждение "вне клеток нет жизни" ошибочно. Хотя вирусы, как и клетки, состоят из двух основных компонентов – нуклеиновой кислоты и белка, структура вирусов и клеток резко различна, что не позволяет считать вирусы клеточной формой организации материи. Вирусы не способны самостоятельно синтезировать компоненты собственной структуры – нуклеиновые кислоты и белки, - и их размножение возможно только при использовании ферментативных систем клеток. Поэтому вирус не является элементарной единицей живой материи.

Значение клетки как элементарной структуры и функции живого, как центра основных биохимических реакций, протекающих в организме, как носителя материальных основ наследственности делает цитологию важнейшей общебиологической дисциплиной.

КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Как говорилось ранее, наука о клетке – цитология, изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, размножение и развитие клеток, приспособления к условиям окружающей среды. Это комплексная наука, связанная с химией, физикой, математикой, другими биологическими науками. Клетка - самая мелкая единица живого, лежащая в основе строения и развития растительных и животных организмов нашей планеты. Она представляет собой элементарную живую систему, способную к самообновлению, саморегуляции, самовоспроизведению. Но в природе не существует некой универсальной клетки: клетка мозга столь же сильно отличается от клетки мышц, как и от любого одноклеточного организма. Отличие выходит за рамки архитектуры - различно не только строение клеток, но и их функции.

И все же можно говорить о клетках в собирательном понятии. В середине XIX столетия на основе уже многочисленных знаний о клетке Т. Шванн сформулировал клеточную теорию (1838). Он обобщил имевшиеся знания о клетке и показал, что клетка представляет собой основную единицу строения всех живых организмов, что клетки растений и животных сходны по своему строению. Эти положения явились важнейшими доказательствами единства происхождения всех живых организмов, единства всего органического мира. Т. Шванн внес в науку правильное понимание клетки как самостоятельной единицы жизни, наименьшей единицы живого: вне клетки нет жизни.

Клеточная теория – одно из выдающихся обобщений биологии прошлого столетия, давшее основу для материалистического подхода к пониманию жизни, к раскрытию эволюционных связей между организмами.

Клеточная теория получила дальнейшее развитие в трудах ученых второй половины XIX столетия. Было открыто деление клеток и сформулировано положение о том, что каждая новая клетка происходит от такой же исходной клетки путем ее деления (Рудольф Вирхов, 1858). Карл Бэр открыл яйцеклетку млекопитающих и установил, что все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки, и этой клеткой является зигота. Это открытие показало, что клетка – не только единица строения, но и единица развития всех живых организмов.

Клеточная теория сохранила свое значение и в настоящее время. Она была неоднократно проверена и дополнена многочисленными материалами о строении, функциях, химическом составе, размножении и развитии клеток разнообразных организмов.

Современная клеточная теория включает следующие положения:

è Клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого;

è Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;

è Размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

è В сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

Общие черты и позволяют нам говорить о клетке вообще, подразумевая некую среднюю типичную клетку. Все ее атрибуты - объекты абсолютно реальные, легко видимые в электронный микроскоп. Правда, эти атрибуты менялись - вместе с силой микроскопов. На схеме клетки, созданной в 1922 году с помощью светового микроскопа, всего четыре внутренние структуры; с 1965 года, основываясь на данных электронной микроскопии, мы рисуем уже, по меньшей мере, семь структур. Причем, если схема 1922 года более походила на картину абстракциониста, то современная схема сделала бы честь художнику-реалисту.

Давайте подойдем поближе к этой картине, чтобы лучше рассмотреть отдельные ее детали.

СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

Клетки всех организмов имеют единый план строения, в котором четко проявляется общность всех процессов жизнедеятельности. Каждая клетка включает в свой состав две неразрывно связанные части: цитоплазму и ядро. Как цитоплазма, так и ядро характеризуются сложностью и строгой упорядоченностью строения и, в свою очередь, в состав их входит множество разнообразных структурных единиц, выполняющих совершенно определенные функции.

Оболочка. Она осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах). Оболочка - таможня клетки. Она зорко следит за тем, чтобы в клетку не проникли ненужные в данный момент вещества; наоборот, вещества, в которых клетка нуждается, могут рассчитывать на ее максимальное содействие.

Оболочка ядра двойная; состоит из внутренней и наружной ядерных мембран. Между этими мембранами располагается перинуклеарное пространство. Наружная ядерная мембрана обычно связана с каналами эндоплазматической сети.

Оболочка ядра содержит многочисленные поры. Они образуются смыканием наружной и внутренней мембран и имеют различный диаметр. В некоторых ядрах, например ядрах яйцеклеток, пор очень много и они с правильными интервалами расположены на поверхности ядра. Количество пор в ядерной оболочке варьирует в различных типах клеток. Поры расположены на равном расстоянии друг от друга. Так как диаметр поры может изменяться, и в ряде случаев ее стенки обладают довольно сложной структурой, создается впечатление, что поры сокращаются, или замыкаются, или, наоборот, расширяются. Благодаря порам кариоплазма входит в непосредственный контакт с цитоплазмой. Через поры легко проходят довольно крупные молекулы нуклеозидов, нуклеотидов, аминокислот и белков, и таким образом осуществляется активный обмен между цитоплазмой и ядром.

Цитоплазма. Основное вещество цитоплазмы, называемое также гиалоплазмой или матриксом, - это полужидкая среда клетки, в которой располагается ядро и все органоиды клетки. Под электронным микроскопом вся гиалоплазма, располагающаяся между органоидами клетки, имеет мелкозернистую структуру. Слой цитоплазмы формирует разные образования: реснички, жгутики, поверхностные выросты. Последние играют важную роль в движении и соединении клеток между собой в ткани.

Каждый из нас начинает свой жизненный путь с одной единственной, невидимой невооруженным глазом клетки. То есть, эту клетку можно увидеть глазом вооруженным микроскопом. И не просто увидеть клетку, но и заглянуть в неё, познакомиться с её микроскопическим строением. Из этого урока вы узнаете о принципах устройства светового и электронного микроскопов, выясните, как используются в цитологии и микроскопии радиоактивные метки и маркеры, что такое ультра центрифугирование и какие части клетки можно с его помощью изучить. Вы познакомитесь с клеточной теорией, узнаете об истории её происхождения и развития, выясните основные постулаты. Выясните, как было доказано, в какой части клетки находится наследственная информация, а также, кто и когда создал первый микроскоп, открыв человечеству микромир.

Тема: Основы цитологии

Урок: Методы цитологии. Клеточная теория

1. Тема и цель урока

Для изучения жизнедеятельности и строения клетки используют различные подходы или методы исследования.

2. Методы исследований морфологии и анатомии клеток. Использование оптических приборов

Разрешающая способность человеческого глаза составляет 100 микрометров (микрон). То есть, если вы начертите две линии на расстоянии 100 микрон друг от друга и посмотрите на них, то эти две линии сольются в одну, а если вы поставите две точки на расстоянии 100 микрометров, эти две точки покажутся вам одной точкой. Размеры клеток и клеточных компонентов определяются микронами или долями микрон. Для того чтобы увидеть структуру такого масштаба и размера, необходимы оптические приборы.

3. Световой микроскоп

Исторически сложилось, что первым оптическим прибором был световой микроскоп (рис. 1).

Рис. 1. Световой микроскоп

Лучший световой микроскоп имеет разрешающую способность около 0,2 микрометров, то есть 200 нанометров, что примерно в 500 раз улучшает возможности человеческого глаза.

Первые микроскопы были созданы в конце XVI в - начале XVII века, а первым человеком, который использовал микроскоп для изучения живых объектов, был Роберт Гук , это случилось в 1665 году.

Он изучал растительные ткани и показал, что пробка и другие растительные ткани состоят из ячеек, разделенных перегородками, эти ячейки он назвал клетками .

Световые микроскопы очень широко применяются и в настоящее время, однако они имеют ряд недостатков. Одни из них заключаются в том, что с помощью светового микроскопа невозможно увидеть объекты, размеры которых меньше длины световой волны - 400-800 нанометров, поскольку световая волна не может быть отражена таким объектом, а огибает его.

4. Электронный микроскоп

В начале 30-х годов XX века был создан электронный микроскоп (рис. 2), который давал биологам возможность увидеть объекты размером 0,5 нанометров.

Почему это произошло? Потому что физики предложили биологам использовать не световой луч, а поток электронов, которые могли уже отражаться от более мелких объектов.

Рис. 2. Сравнительная характеристика светового (сверху) и электронного (снизу) микроскопа

На рисунке 2 представлены рабочие диапазоны светового и электронного микроскопов. Как мы видим, клеточные органеллы и вирусы можно увидеть только с помощью электронного микроскопа.

В сущности, принцип действия электронного микроскопа такой же, как и у светового, в котором пучок световых лучей направляется линзой конденсатора через образец, а изображение увеличивается с помощью системы линз. В электронном микроскопе оператор сидит у пульта управления лицом к колонне, по которой проходит пучок электронов (рис. 3).

5. Принцип работы электронного микроскопа

Электронный микроскоп перевернут вверх дном по сравнению со световым микроскопом. Здесь у электронного микроскопа источник электронов находится в верхней части колоны, а сам образец - внизу.

Рис. 3. Принцип работы светового (слева) и электронного (справа) микроскопа

На вольфрамовую нить накала, находящуюся в верхней части колонны, подается высокое напряжение, и нить накала излучает пучок электронов, чтоб сфокусировать эти электроны, необходимы электромагниты.

Внутри колонны создается глубокий вакуум, чтобы сократить до минимума рассеивание электронов. В трансмиссионном просвечивающем микроскопе электроны проходят через образец, поэтому сам образец должен быть очень тонким, иначе электроны могут быть поглощены этим образцом, или рассеются. Пройдя через образец, электроны фокусируются добавочными электромагнитными линзами.

Электроны невидимы для человеческого глаза, поэтому они направляются на флуоресцентный экран, который воспроизводит видимые изображения или на фотопленку. Так можно получить постоянный фотоснимок - электронную микрофотографию.

Для того что бы получить объемные изображения предметов, используют сканирующий электронный микроскоп (рис. 4).

Рис. 4. Объемные изображения пыльцы растений (справа), полученные при помощи сканирующего электронного микроскопа (слева)

В нем точно сфокусированный пучок электронов движется взад и вперед по поверхности образца, а отраженные от поверхности электроны собираются и формируют изображение, наподобие того, которое возникает на экране телевизора.

С помощью электронного микроскопа можно увидеть только неживые объекты. Процессы, происходящие в клетке, то есть живую клетку, можно наблюдать в мощный световой микроскоп при замедленной кинофотосъёмке.

6. Использование радиоактивной метки

Если требуется проследить за судьбой какого-либо химического соединения в клетке, то можно заменить один из атомов в его молекуле на радиоактивный изотоп . Тогда эта молекула будет иметь радиоактивную метку, по которой ее можно обнаружить с помощью счетчика радиоактивных частиц или по способности засвечивать фотопленку.

7. Использование ультра центрифугирования

Для выделения и изучения отдельных органоидов клетки используется метод ультрацентрифугирования : разрушенные клетки в пробирке вращаются с очень большой скоростью в центрифугах . Так как разные составные части клеток имеют различные массу, размеры и плотность, то они под действием центробежной силы оседают на дно с разными скоростями. Таким образом, изучают митохондрии , рибосомы и другие органеллы .

Рис. 5. Создатели клеточной теории М. Шлейден и Т. Шванн

8. Клеточная теория. История её возникновения

В XVIII - XIX веках основным орудием исследования живых объектов в руках биологов был световой микроскоп. В 1838 году вышла книга Маттиаса Шлейдена (рис. 5) «Материалы к филогенезу», в которой он показал, что все растительные ткани состоят из клеток и рассуждал о вопросе происхождения клеток в живых организмах, непосредственно в растительных организмах. Ровно через год в 1839 году Теодор Шванн (рис. 5) опубликовал свою книгу «Микроскопические исследования о соответствии в структуре, и росте животных и растений» в которой и были изложены первые версии клеточной теории.

9. Постулаты клеточной теории

Вот основные постулаты клеточной теории :

1. Все живые существа состоят из клеток.

3. Каждая клетка самостоятельна: деятельность организма является суммой процессов жизнедеятельности составляющих их частей.

Несмотря на всю прогрессивность клеточной теории, Шванн и Шлейден ошибочно полагали, что новые клетки появляются из внеклеточного вещества, поэтому существенным дополнением клеточной теории был принцип Рудольфа Вирхова (каждая клетка из клетки).

10. Принцип Рудольфа Вирхова. Определение местоположения наследственной информации

Позднее Вальтер Флеминг описал процесс деления клетки - митоз. А Оскар Гертвиг и Эдуард Страсбургер независимо друг от друга, на основании экспериментов с одноклеточными водорослями, пришли к выводу, что наследственная информация клетки заключена в ядре.

11. Современная клеточная теория

Таким образом, работами многих исследователей была создана современная клеточная теория , которая имеет следующие положения:

1. Клетка является универсальной структурной и функциональной единицей живого.

2. Все клетки имеют сходное строение, химический состав и общие принципы жизнедеятельности.

3. Клетки образуются только при делении предшествующих им клеток.

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

12. История открытия микроскопа

Микроскоп и время. История создания микроскопа не совсем ясна, известно, что он появился в конце XVI - в начале XVII века, и одним из мастеров, который сконструировал микроскоп, был Захарий Янсен, очковый мастер (рис. 6).

Рис. 6. Один из первых изготовителей микроскопов, З. Янсен, и его творение

Долгое время он использовался как игрушка, и даже Г. Галилей в 1619 году писал, что любопытно смотреть через микроскоп на муху размером в теленка, и только Роберт Гук в 1665 г. стал использовать микроскоп в научных исследованиях. Он рассматривал растительные ткани и клетки пробки, и таким образом открыл клетки у растений.

Р. Гук усовершенствовал микроскоп (недостатком первых микроскопов было плохое освещение). С этой целью Гук сделал приспособление, состоящее из сферы, наполненной водой, или из плосковыпуклой линзы, фокусировавшей солнечный свет. А в вечернее время Гук использовал светильник, который был дополнительным источником освещения.

Домашнее задание

1. Что такое микроскоп?

2. Чем световой микроскоп отличается от электронного микроскопа?

3. Опишите метод ультрацентрифугирования.

4. Что такое радиоактивные маркеры? Как они используются?

5. Перечислите ученых, работы которых способствовали возникновению и развитию клеточной теории.

6. Перечислите постулаты клеточной теории.

7. Обсудите с друзьями и родными, каким образом из одной клетки развивается целый организм. Как можно влиять на этот процесс?

1. Википедия.

2. Википедия.

3. Википедия.

4. Википедия.

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. - 2-е изд., переработанное. - Вентана-Граф, 2010. - 224 стр.

3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.

4. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин и др. - 5-е изд., стереотип. - Дрофа, 2010. - 388 с.

5. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.