Сообщение на тему методы изучения жизнедеятельности клетки

Обновлено: 07.07.2024

Основные методы исследования строения и функций клетки

Усовершенствование приборов, развитие физических и химических методов исследования напрямую повлияли на достижения в области науки о клетке.

Какие методы используют для изучения строения и функций клеток?

Сегодня в цитологии используются методы исследования клетки, основывающиеся на наработках в области химии, биохимии, молекулярной биологии. Все они нацелены на изучение структуры, функций и химизма клеток.

Среди всех методов изучения клетки особенно стоит выделить микроскопические и, в первую очередь, электромикроскопические. Благодаря им есть возможность уточнить детали строения клеток на различных уровнях — начиная клеточным и заканчивая молекулярным.

Световая микроскопия

Микроскопирование как метод изучения мелких биологических объектов вроде клеток и тканей применяется более чем 300 лет. Начиная с первого использованного в исследовательских целях микроскопа происходило постоянное его совершенствование.

Световая микроскопия основана на том, что лучи света проходят через прозрачный объект и попадают затем на систему линз объектива и окуляра микроскопа. Важная часть микроскопа — его разделительная способность: он может предоставлять отдельные изображения двух объектов, расположенных в непосредственной близость друг от друга.

Но у разделительной способности есть ограничение: это длина волны света. Чем меньше этот показатель, тем выше его разделительная способность.

Световой микроскоп имеет разделительную способность, которую ограничивает длина волну фиолетовой части видимого света — это 200 нм. Увеличение в световом микроскопе достигает 2500 раз.

Электронная микроскопия

Шаг вперед в области микроскопирования — электронный микроскоп, который был сконструирован в 1931 году Эметом Руска.

Роль светового луча в электронном микроскопе отводится пучку электронов: он фокусируется магнитами, а не линзами.

Если говорить о трансмиссионном электронном микроскопе, то здесь электроны проходят через объект исследования так же, как лучи света в световом микроскопе. Но важно, чтобы поддерживался высокий уровень вакуума. Как итог — пучок электронов создает на фотопленке изображение объекта.

В случае сканирующего электронного микроскопа, электроны отбиваются от поверхности объекта и в движении создают изображение. Благодаря такому микроскопу стало возможным исследовать некоторые объекты при их жизни.

Любые микроскопы позволяют получить изображение за счет того, что одни части исследуемого объекта поглощают или отбивают больше света или электронов, чем другие. Световые микроскопы работают с красителями. В трансмиссионных микроскопах вместо красителей применяется напыление платиной или золотом — у них есть способность отбивать электроны.

Для получения покрытой льдом поверхности при работе со сканирующим микроскопом практикуют замораживание материала.

Методы центрифугирования и меченых атомов

При помощи метода центрифугирования ученые изучают отдельные клеточные структуры. Для этого клетки проходят предварительное измельчение, после чего центрифугируются. Отдельные образовавшиеся фракции — и есть предмет изучения ученых.

Если нужно изучить место, в котором произошли определенные биохимические процессы в клетке, то используется метод меченых атомов. Если один из атомов определенного клеточного элемента заменить радиоактпвным изотопом, то с помощью прибора можно будет увидеть миграцию, локализацию и превращение этих веществ в клетке.

Метод культуры клеток и тканей

Какие методы используют для изучения строения и функций клетки помимо цитологических исследований?

Методы цитологических исследований, описанные выше, в качестве материала для исследований используют клетку (перед этим она умерщвляется). Однако не менее интересными являются исследования, материалом которых выступает живая клетка. Метод культуры клеток и тканей — один из тех методов, с помощью которого есть возможность изучить определенные моменты жизнедеятельности клеток, инкубированные в специальные питательные среды. Это наиболее простой метод изучения жизнедеятельности клетки.

С помощью метода культуры клеток и тканей — современного метода исследования клетки — выращиваются многоклеточные организмы и ткани — из одной клетки, помещенной в питательную среду.

Этот метод изучения клеток считается достаточно ценным как минимум по двум причинам. Во-первых, в центре его внимания — клетка как природная модель, единица биоактивности, которая делает условия эксперимента близкими к нативным. Во-вторых, клетка или ткань освобождаются из-под влияния коррелятивных связей и зависимостей материнского организма. Речь идет о создании условий in vitro — они поддаются управлению и регуляции.

В этом случае нельзя говорить об обеспечении полных условий жизни ткани, так как регуляторные влияния организма отсутствуют. Но с помощью этого метода у ученых есть возможность исследовать рост, деление и движение клеток, изучать, как на клетки влияют различные физические и химические факторы.

Комплексные методы исследования клеток

Перечисленные основные методы исследования клеток позволяют утверждать, что методом изучения в цитологии более чем достаточно. С их помощью можно провести точный анализ: от структуры клетки до молекулярной композиции отдельных ее частей. При этом, у всех методов есть определенные минусы. К примеру, если выращивать клетки в искусственной среде, то они лишаются регуляторного влияния организма.

В случае методов, в ходе которых происходит фиксация и окрашивание клеток, можно говорить об изменении определенным образом их структуры и появлении некоторых отклонений.

Комплексное исследование определенных явлений в жизнедеятельности клеток помогает со всех сторон изучить биологию клетки, ее строение, развитие, химизм, функции, дифференциацию и старение. Так минимизируются минусы отдельных методов исследования.

Оптические приборы в тандеме с компьютером помогают исследовать клетку со всех сторон, смоделировать физиологические и биохимические процессы (с помощью комплексных методов изучают процессы деления клеток, в том числе), изучить ее химический состав, цитофизиологию.

В некоторых случаях исследования проводят в разных лабораториях с помощью разных методов: это позволяет получить дополняющие друг друга данные и целостное представление о процессах, происходящих в живых клетках.

Основные методы изучения клеток в таблице:

Методы изучения клетки. Таблица

Микроскопия

Исторически первый метод исследования в цитологии не растерял своего значения до наших дней. Современные методы изучения клетки — фазово-контрастная и интерференционная микроскопия. Разновидности световых микроскопов позволяют различать тонкие детали в живой клетке без ее фиксации и окрашивания.

Особенности метода электронной микроскопии:

Внутри электронного микроскопа создают вакуум для того, чтобы пучок электронов не рассеивался.
Для исследования необходимы предварительная фиксация и обезвоживание препаратов.
После этого объекты заливают в плотную среду для выполнения тончайших срезов при помощи ультратонкого ножа — микротома.
Изображение объекта фиксируется с помощью детектора электронов.

Какие методы используются в цитологии, во многих случаях зависит от особенностей объектов. Флуоресцентная микроскопия предназначена для изучения образцов с собственной флуоресценцией, таких как хлорофилл, который в синем свете флуоресцирует красным. Можно исследовать и другие объекты, предварительно окрасив их определенными флуоресцентными красителями.

В настоящее время жизнь клетки исследуют на уровне органелл, молекул и атомов. В цитологии используют методы молекулярной биологии, гистологии, микробиологии, биохимии, физиологии. Смежные науки развиваются в тесном контакте друг с другом. Подразделы биологии используют сходные методы исследования, а открытия в одной области оказывают влияние на развитие других дисциплин.

Клетки характеризуются довольно скромными размерами. Несмотря на это, они имеют весьма сложное строение. Специально для того чтобы детально разобраться в их устройстве, учеными разработаны научные методы, позволяющие изучить особенности строения и функционирования клеток. Световое микроскопирование выступает единственным доступным вариантом на первичном этапе развития цитологии. Но и существует немало иных методов изучения клетки, таблицы с их классификацией можно изучить самостоятельно.

Применение микроскопии

В таблице представлены существующие сегодня основные и дополнительные приемы и способы изучения клетки. Ниже они рассмотрены более детально:

ОБЩЕЕ НАЗВАНИЕ МЕТОДА	НАПРАВЛЕНИЕ
Микроспория	Световая технология
Флуоресцентное излучение
Электронные приборы
Культивирование клеток	Биохимический метод
Техника центрифугирования
Прочие приемы	Авторадиография
Рентгеноструктурный анализ

Этот метод цитологии является ключевым при изучении клетки. Для его детального разбора необходимо изучить основные термины. Так, в микроскопии повсеместно используется понятие разрешения. Так обозначается способность различать 2 отдельно взятых объекта. В случае с оптическим прибором этот термин указывает на минимальное расстояние, имеющееся между двумя точками. Они располагаются по отдельности друг от друга и не соединяются. Чем меньше такое расстояние, тем более мелкие объекты удается исследовать.

Человеческий глаз имеет разрешение, составляющее около 0,1 мм. Важно принимать во внимание, что объект должен быть контрастным. Иногда, смотря с помощью бокового света, можно различить на темном фоне крупных инфузорий, амеб и других одноклеточных, размеры которых достигают от 100 до 200 мкм. Приходится делать достаточно тонкие срезы, чтобы отличать клетки от растительных и животных организмов. Исследование их происходит под микроскопом. Так называется специальный аппарат, обладающий увеличивающими способностями. Как обычно происходит этот процесс:

Сначала, как правило, окрашивают препарат с помощью особого красителя. Это необходимо для увеличения контрастности.
Производят фиксацию препарата, осуществляя обработку специальными веществами, направленными на профилактику разрушения и растекания биологических молекул. С этой целью можно применять, допустим, формалин. По этой же причине в большинстве случаев изучению подвергаются уже отмершие клетки.

Световая технология

В большинстве случаев находят применение световые микроскопы. Здесь освещение объекта происходит посредством видимого света. Таковым называют свет, представляющий собой электромагнитное излучение. Длина волны в указанном случае варьируется от 400 до 700 нм. В зависимости от длины волны человеческий глаз может воспринимать такие лучи, как различные цвета.

Красный является самым длинным волновым светом. У фиолетового, напротив, наиболее короткая волна. Белый цвет считается комбинацией различных лучей, которые отличаются по длине волны. Его можно разделять в спектр, то есть радугу, используя для этого призму.

Существуют ограничения в плане длины волны. Она предполагает минимальный размер объектов, которые можно исследовать под микроскопом. Важно, чтобы волна огибала объект, вот почему нет возможности изучать предмет, который меньше по размеру, по сравнению с длиной световой волны. У видимого света имеется длина волны, которая составляет 0,6−0,7 мкм. По этой же причине световой микроскоп имеет разрешение около 0,5 микрометров, когда применяется белый свет.

В реальности присутствие дополнительных ограничений приводит к тому, что стандартный микроскоп способен хорошо различать объекты размером около 1 мкм. Те из них, которые имеют габариты менее 0,5 мкм, также видны, но при условии излучения или света. В данный момент эффективно используется во флуоресцентной микроскопии. Какие составляющие имеются у светового микроскопа:

Объектив. С его помощью происходит фокусировка света от объекта. Такая деталь представляет собой систему линз. Большинство микроскопов имеет несколько объективов одновременно. Все они вращаются на специальной головке.
Окуляр. Этот набор линз необходим, чтобы позволить исследователю наблюдать за клеткой.
Тубус. Это деталь, посредством которой располагаются на определенном расстоянии объектив и окуляр. После придания определенного положения указанные составляющие крепко фиксируются, что обеспечивает дополнительное удобство при исследовании.
Штатив.
Предметный столик. Это своего рода подставка, на которой размещается объект.
Система освещения. Ее роль обычно выполняют фокусирующие линзы, Они же конденсаторы, а также лампа.
Макровинт. Он применяется для грубой фокусировки. Есть также понятие тонкой фокусировки. Для ее обеспечения применяются микровинты.

Флуоресцентное излучение

Ее применяют для исследования объектов, которые имеют свою собственную флуоресценцию. Примером может служить вещество хлорофилл. При наблюдении в синем цвете у него наблюдается явление флуоресценции красным. Также микроскопия рассматриваемого типа позволяет изучать образцы окрашенных волос с ценными красителями либо антителами. В этом случае исследование имеет целью выявление тех или иных структур внутри клетки.

Существует возможность размещать объекты на светлом фоне, а также в темном поле и при косом освещении. Такой подход позволяет детализировать объект и увидеть самые тончайшие части структуры. Есть также интерференционная и фазово-контрастная микроскопия. Но здесь приборы применяются для визуализации фазы, выступающей одной из характеристик света.

Для фазы характерно движение во время прохождения через отдельно взятый предмет. Лучи при этом в той или иной степени сдвигаются.

Такой метод микроскопии дает возможность просматривать тонкие детали в живых объектах. При этом не приходится их подвергать окрашиванию или же специально фиксировать.

Электронные приборы

Они имеют преимущество перед световыми микроскопами, так как обеспечивают большее разрешение, нежели они. Здесь находит применение пучок электронов. Фиксация данных исследования производится детекторами электронов. В такое устройство нельзя смотреть через окуляр. Вакуум позволяет избежать ситуации, когда электронный пучок рискует рассеяться.

фиксация объекта;
извлечение влаги;
перемещение в более плотное пространство;
применение микротомы для получения тончайших срезов.

Обязательными этапами являются напыление с применением солей тяжелых металлов либо окрашивание. Только такие соединения способны существенно замедлить движение электронов. В итоге получается изображение, которое не является цветным. В дальнейшем можно искусственным путем раскрасить его.

Выделяют два типа электронных микроскопов:

Сканирующий. Изображение, которое он дает, получается объемным.
Трансмиссионный. Здесь виден срез с объекта. Микроскоп выдает плоское изображение, как бы просвечивая его.

Культивирование клеток

Культивирование нередко требуется для исследования клеток. Это означает, что их приходится выращивать, задействовав при этом питательные среды. Такой подход дает возможность изучить их потребность в тех или иных веществах, а также молекулы, выделяемые такими клетками. Организмы, которые подвергают культивированию, зачастую выделяют полезные для человека вещества в окружающую среду.

Примером могут послужить антибиотики. Чтобы обеспечить рост необходимых организмов, требуется придерживаться стерильности. Это значит, что любые другие микроорганизмы и их споры не должны попадать в питательную среду. Достигается это применением одноразовых сосудов. Это может быть, допустим, чашка Петри. Если закрыть ее крышкой, микробы из воздуха не могут попадать внутрь. Но есть и многоразовое оборудование для исследования клеток, которое приходится периодически стерилизовать.

Для работы с такими сосудами требуется применение резиновых перчаток, а также спецодежды. Хранят их в шкафах, где воздух подвергается фильтрации. Также применяется здесь и проточная система циркуляции для большей надежности. Во время любых манипуляций поблизости стоит зажженная горелка.

Биохимический метод

Отдельные клетки можно гомогенизировать, чтобы получить из них необходимые вещества. Сущность этого метода изучения жизнедеятельности клетки состоит в том, что соединение измельчается, пока не примет консистенцию однородной кашицы. Далее проводятся другие манипуляции, в том числе обработка специальными веществами.

Так называемый метод меченых атомов часто используются в биохимии. Его целью является изучение метаболизма. При этом производится введение соединений в организме. В них присутствуют специальные радиоактивные изотопы, которые в дальнейшем обнаруживаются в различных веществах. Это дает возможность отследить их превращение, изучая параллельно биохимические реакции, протекающие в живых организмах.

Техника центрифугирования

Для разделения по плотности различных структур клеток и органоидов применяют центрифугирование. При этом используют специальные приборы, в которых осуществляется раскручивание клеток. Ключевым компонентом центрифуги является ротор. Скорость его вращения может достигать сотен тысяч оборотов за минуту. Это обеспечивает стремительное оседание всего содержимого пробирки и разделение на отдельные частицы. Чтобы обеспечить оседания частиц по плавучей плотности, применяются плотные солевые растворы.

Если для дифференциального центрифугирования применяется, допустим, хлористый цезий, формируется градиент плотности. Это значит, что происходит некое разделение, в результате чего менее плотные частицы располагаются вверху, а более плотные — внизу. При помещении различных частиц в этот раствор во время обработки центрифугой они могут останавливаться в определенном слое. Имеется в виду область, где плавучая плотность указанных частиц соответствует плотности окружающего их раствора.

Такой метод дает возможность поделить разные макромолекулы и комплексы молекул. Примером может быть разъединение субъединиц рибосом.

Прочие приемы

Авторадиография дает возможность проследить присутствие того или иного химического компонента в клетках. Для этого делают специальную радиоактивную метку на молекуле, заменяя при этом на радионуклид отдельно взятый атом. Далее, применяя особый счетчик, находят местоположение вещества. Также в определении локализации помогает и засвечивание фотопленки. Избирательное действие реактивов и красящих веществ наблюдается в случае использования методов цитохимии.

Существует также рентгеноструктурный анализ. Если кратко охарактеризовать этот метод, то он необходим для выявления пространственного положения групп атомов в молекулах или отдельных образцов. Такой прием используется при работе с белками, структурой ДНК и другими клеточными включениями. Микрохирургия также является одним из используемых сегодня методов изучения клетки. При этом производится удаление тех или иных компонентов, пересаживание клеток друг друга, внедрение разных веществ в форме микроинъекции и т. д. Целью здесь выступает изучение деления, специализации и дифференциации клеток и их групп.

С целью формирования современной естественно-научной картины мира учащимся 5 класса на уроке биологии освещают тему истории изучения клетки. Также преподаватели рассказывают о современных методах исследования. Рассматриваемая тема включается в перечень вопросов по ЕГЭ по биологии.

Учащиеся медицинских колледжей и университетов также изучают данную тему. Для них разработаны специальные пособия.

Примером может послужить книга о безопасности жизнедеятельности И. В. Свитнева, которая рассматривает вопросы, связанные с изменениями в структуре клетки в различных ситуациях.

Первым человеком, увидевшим клетки, был английский учёный Роберт Гук (известный открытием закона Гука). В 1665 году, пытаясь понять, почему пробковое дерево хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа.

Содержание

1. История открытия
2. Методы исследования клеток
3. Оптическая микроскопия
4. Электронная микроскопия
5. Фракционирование клеток
6. Клеточная теория
Список использованных источников

1. История открытия

2. Методы исследования клеток

Впервые клетки удалось увидеть только после создания оптических (световых) микроскопов. С того времени и до сих пор микроскопия остается одним из важнейших методов исследования клеток. Световая микроскопия, несмотря на небольшое разрешение, позволяла наблюдать за живыми клетками. В ХХ веке была изобретена электронная микроскопия, которая позволила изучить ультраструктуру клеток.

Для изучения функций клеток и их частей используют разнообразные биохимические методы — как препаративные, например фракционирование методом дифференциального центрифугирования, так и аналитические. Для экспериментальных и практических целей используют методы клеточной инженерии. Все упомянутые методические подходы могут использоваться в сочетании с методами культуры клеток.

3. Оптическая микроскопия

В оптическом микроскопе увеличение объекта достигается благодаря серии линз, через которые проходит свет. Максимальное увеличение составляет более 1000 раз. Также важной характеристикой является разрешение — расстояние между двумя точками, которые ещё распознаются отдельно. Разрешение характеризует чёткость изображения. Эта величина ограничивается длиной световой волны, и даже при использовании самого коротковолнового света — ультрафиолетового — можно достичь разрешения только около 200 нм; такое разрешение было получено ещё в конце XIX века. Малейшие структуры, которые можно наблюдать под оптическим микроскопом, это митохондрии и бактерии. Их линейный размер составляет примерно 500 нм. Однако объекты размером меньше 200 нм видны в световом микроскопе, если они сами излучают свет. Эта особенность используется в флуоресцентной микроскопии, когда клеточные структуры или отдельные белки связываются со специальными флуоресцентными белками или антителами с флуоресцентными метками. На качество изображения, полученного с помощью оптического микроскопа, влияет также контрастность — её можно увеличить, используя различные методы окраски клеток. Для изучения живых клеток используют фазово-контрастную, дифференциальную интерференционно-контрастную и темнопольную микроскопию. Конфокальные микроскопы позволяют улучшить качество флуоресцентных изображений[2][3].

4. Электронная микроскопия

В 30-х годах XX века был сконструирован электронный микроскоп, в котором вместо света через объект пропускается пучок электронов. Теоретический предел разрешения для современных электронных микроскопов составляет около 0,002 нм, однако из практических причин для биологических объектов достигается разрешение только около 2 нм. С помощью электронного микроскопа можно изучать ультраструктуру клеток. Различают два основных типа электронной микроскопии: сканирующую и трансмиссионную. Сканирующая (растровая) электронная микроскопия (РЭМ) используется для изучения поверхности объекта. Образцы зачастую покрывают тонкой пленкой золота. РЭМ позволяет получать объёмные изображения. Трансмиссионная (просвечивающая) электронная микроскопия (ПЭМ) — используется для изучения внутреннего строения клетки. Пучок электронов пропускается через объект, предварительно обработанный тяжёлыми металлами, которые накапливаются в определённых структурах, увеличивая их электронную плотность. Электроны рассеиваются на участках клетки с большей электронной плотностью, в результате чего на изображениях эти области выглядят темнее[2][3].

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

5. Фракционирование клеток

Для установления функций отдельных компонентов клетки важно выделить их в чистом виде, чаще всего это делается с помощью метода дифференциального центрифугирования. Разработаны методики, позволяющие получить чистые фракции любых клеточных органелл. Получение фракций начинается с разрушения плазмалеммы и образования гомогената клеток. Гомогенат последовательно центрифугируется при различных скоростях, на первом этапе можно получить четыре фракции: (1) ядер и крупных обломков клеток, (2) митохондрий, пластид, лизосом и пероксисом, (3) микросом — пузырьков аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума, (4) рибосом, в супернатанте останутся белки и более мелкие молекулы. Дальнейшее дифференциальное центрифугирование каждой из смешанных фракций позволяет получить чистые препараты органелл, к которым можно применять разнообразные биохимические и микроскопические методы[1].

6. Клеточная теория

В 1878 году русским учёным И. Д. Чистяковым открыт митоз в растительных клетках; в 1878 году В. Флемминг и П. И. Перемежко обнаруживают митоз у животных. В 1882 году В. Флемминг наблюдает мейоз у животных клеток, а в 1888 году Э. Страсбургер — у растительных.

Клеточная теория является одной из основополагающих идей современной биологии, она стала неопровержимым доказательством единства всего живого и фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. На сегодняшний день теория содержит такие утверждения:

Клетка — элементарная единица строения, функционирования, размножения и развития всех живых организмов, вне клетки нет жизни.

Клетка — целостная система, содержащая большое количество связанных друг с другом элементов — органелл.

Клетки различных организмов похожи (гомологичны) по строению и основным свойствам и имеют общее происхождение.

Увеличение количества клеток происходит путём их деления, после репликации их ДНК: клетка — от клетки.

Нужна помощь в написании реферата?

Многоклеточный организм — система из большого количества клеток, объединённых в системы тканей и органов, связанных между собой с помощью химических факторов — гуморальных и нервных.

Клетки многоклеточных организмов тотипотентны — любая клетка многоклеточного организма обладает одинаковым полным фондом генетического материала этого организма, всеми возможными потенциями для проявления этого материала, — но отличаются по уровню экспрессии для проявления этого материала, — но отличаются по уровню экспрессии (работы) отдельных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию — дифференцировке[1].

Количество и формулировки отдельных положений современной клеточной теории в разных источниках могут отличаться.

Читайте также: