История развития представления о строении клетки

Согласно названию, в статье описываются важные открытия и наблюдения, которые помогли наиболее точно сформулировать представление о строение и функции клетки. В тексте подробно рассказывается об основных методах изучения клетки.

Ключевые слова : клетка, микроскоп, цитология, микроскопия, функциональная единица, образования.

Целью данной работы является обобщение информации об изменении представлений о клетки, а также рассмотрение основных методов ее исследования.

Клетка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых говорят, как о неклеточных формах жизни) [4].

На протяжении долгого времени свойства животных и растений изучались исключительно на основе их макроскопического строения. Открытие их клеточного строения и изучения клетки как основной структурной и функциональной единицы позволило ответить на множество вопросов о строении и функции организмов, тем самым сыграв огромную роль в развитии биологии как науки [2].

В настоящее время перед цитологией — науки о клетки стоит ряд, важных для общества, задач, малая часть из них: изучения злокачественных заболеваний и методов их лечения, использования стволовых клеток, клонирования. Но с чего же всё начиналось?

Основные открытия ученых, благодаря которым были сформированы постулаты клеточной теории, представлены в таблице.

Таблица 1

Основные этапы развития представлений о клетке [5].

Размеры клеток колеблются от 1 до 100 мкм, что делает их недоступными для изучения невооруженным глазом. Исследования клетки неразрывно связано с изобретением и усовершенствованием микроскопа [4]. Рассмотрим основные методы микроскопии, применяющиеся для детального изучения клеток.

Световая микроскопия является одним из основных методов исследования частиц, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Метод основывается на том, что лучи света проходят сквозь прозрачный или полупрозрачный объект. Объектами исследования являются: мазки (костный мозг, кровь, ликвор); пленки (брыжейки, нервная ткань); клетки культур; гистологические срезы; давленые препараты; живые клетки (окрашенные с помощью витальных красителей). Современные световые микроскопы имеют кратность увеличения объекта в 2–3 тыс. раз. Существуют разные виды световой микроскопии: поляризационная, флуоресцентная, ультрафиолетовая, фазово-контрастная и т. п. [1].

Метод электронной микроскопии

Электронная микроскопия — метод морфологического исследования объектов с помощью потока электронов, позволяющий изучать структуру этих объектов на макромолекулярном и субклеточном уровнях.Способность увеличивать изображение объектов до 500 000 раз и больше. Позволяет изучать мелкие объекты, органеллы маленьких размеров (рибосомы и т. п.), строение плазматических мембран. Для электронной микроскопии препараты определенным образом обрабатывают (преимущественно тяжелыми металлами). После этого органеллы и прочие клеточные структуры приобретают разную степень поглощения электронов и потому выделяются на экране или фотопленке.Вмагнитном поле вместо потока света движется поток электронов от катода к аноду, который ускоряется высоким различием потенциалов между полюсами. Электромагниты играют роль линз. Они могут изменять направление движения электронов, собирать (фокусировать) их в пучок и направлять его на объект исследования. Часть электронов может рассеиваться, отражаться, поглощаться, взаимодействовать с объектом или проходить через него без изменений. Электроны попадают на люминесцентный экран (возбуждают его свечение), или на особую фотопленку [3].

Трансмиссионная электронная микроскопия

Трансмиссионная микроскопия реализуется с помощью трансмиссионных (просвечивающих) электронных микроскопов, в которых тонкопленочный объект просвечивается пучком ускоренных электронов с энергией 50–200 кэВ. Электроны, отклоненные атомами объекта на малые углы и прошедшие сквозь него с небольшими энергетическими потерями, попадают в систему магнитных линз, которые формируют на люминесцентном экране (и на фотопленке) светлопольное изображение внутренней структуры. При этом удается достичь разрешения порядка 0,1 нм, что соответствует увеличениям до 1,5 х 106 раз. Рассеянные электроны задерживаются диафрагмами, от диаметра которых зависит контраст изображения [3].

Метод растровой электронной микроскопии

Растровая электронная микроскопия используется для изучения объектов, размеры которых слишком малы для исследования невооруженным глазом. Как следует из названия, изображение исследуемых объектов в РЭМ, формируется в результате сканирования образца сфокусированным пучком электронов (пучком первичных электронов), последовательно точка за точкой. При этом при взаимодействии электронного пучка с материалом/поверхностью исследуемого объекта происходит возбуждение большого количества разнообразных сигналов. Анализируя соотношение интенсивностей характеристических линий рентгеновского спектра, можно рассчитать соотношение концентраций различных элементов, входящих в состав материала образца. Растровый электронный микроскоп является наиболее универсальным прибором для исследования структуры материалов и топографии поверхностей [1].

Фракционирование клеток

Для исследования не только целых клеток, но и их отдельные органоиды, выделенные из клеток в жизнеспособном состоянии, используется метод фракционирования клеток, который основывается на дифференциальном центрифугировании. Получение клеточных фракций начинается с гомогенизации клетки. Затем из гомогенатов уже выделяют фракции. Одним из основных способов выделения клеточных структур является дифференциальное (разделительное) центрифугирование. Принцип его применения в том, что время для осаждения частиц в гомогенате зависит от их размера и плотности: чем больше частица или чем она тяжелее, тем быстрее она осядет на дно пробирки. Чтобы ускорить этот процесс оседания, используют ускорения, создаваемые центрифугой. При разделении макросомной подфракции получают отдельно митохондрии, лизосомы, пероксисомы. При разделении микросом можно получить фракцию мембран аппарата Гольджи, фрагментов плазматической мембраны, вакуолей, гранулярного ретикулума. В случаях более тонкого разделения фракций используют центрифугирование в градиенте плотности сахарозы, что позволяет хорошо разделить компоненты, даже незначительно отличающиеся друг от друга по удельной массе [3].

Резюмируя, можно сказать, что ученые, внесшие вклад в изучение клетки, как открытой живой системы, основной единицей строения всего живого на земле, дали толчок развитию многих дисциплин. До сих пор продолжаются исследования в области цитологии, микроскопии и многих других областях науки, разрабатываются новые и совершенствуются старые методики для более детального исследования клеток.

1. Д. А. Полонянкин, А. И. Блесман, Д. В. Постников, А. А. Теплоухов Теоретические основы растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа наноматериалов / Д. А. Полонянкин, А. И. Блесман, Д. В. Постников, А. А. Теплоухов. Омск, Издательство ОмГТУ. — 2019
2. Заварзин, А. А. Основы общей цитологии / А. А. Заварзин, А. Д. Харазова. — Л.: Изд-во Ленинградск. Ун-та, 1982. — 240 с.
3. Фульц, Б. Просвечивающая электронная микроскопия и дифрактометрия материалов / Б. Фульц. — М.: Техносфера, 2011. — 904 c.
4. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию / Ю. С. Ченцов Москва, ИКЦ «Академкнига».- 2004.
5. Юдакова О. И. Введение в клеточную биологию / О. И. Юдакова.: Учеб. пособие. — Саратов, 2014. — 88 с.