Новейшие способы изучения жизнедеятельности клетки 5 класс

Методы изучения жизнедеятельности клетки. Биология

Первым человеком, воочию увидевшим клеточное строение живого организма, был изобретатель микроскопа Роберт Гук. В 1665 году он рассмотрел клеточное строение коры дуба. С тех пор строение микроскопов и методы изучения жизнедеятельности клеток ушли далеко вперед. И продолжают развиваться, давая ученым все новый и новый материал для исследований и теорий функционирования структурных единиц всего живого на нашей планете.

Самые известные имена в истории изучения клетки

Роберт Гук, занимавшийся изучением строения растительной клетки, считал, что живыми являются их стенки, а не содержимое. Через 10 лет итальянский врач Марчелло Мальпиги предложил первую клеточную теорию строения растений. Он считал, что все органы растений образованы клетками, в которых есть цитоплазма. Энтони ван Левенгук рассмотрел эритроциты крови и сперматозоиды человека, а известный зоолог из Франции Жан Батист Ламарк допустил, что все живые организмы строятся из клеток. Положения современной клеточной теории ввели немецкие биологи Теодор Шванн и Матиас Шлейден, а дополнил ее российский патологоанатом Рудольф Вирхов. Так зародилась новая наука о клетках, и случилось это в 1839 году, когда на вооружении биологов были только световые микроскопы и довольно скудный арсенал знаний.

Какая наука занимается изучением жизнедеятельности клеток?

Задача биолога-цитолога – установить строение клетки, ее структурных компонентов, законов жизнедеятельности и нормального функционирования. Наука цитология, от греческого слова «cytoc» – «клетка», кроме перечисленного, изучает появление и смерть клеток, процессы из размножения. На границе этих знаний находится патоморфология клеток, клиническая цитология – науки, которые описывают и изучают патологические состояния клетки. Биохимия и биофизика клетки изучает основы процессов ее жизнедеятельности. А генетика клетки изучает законы наследования и перераспределения материала наследственности на клеточном уровне. И каждая из перечисленных отраслей биологии имеет свой план и методы изучения жизнедеятельности клетки. Познакомимся с самыми важными из этих методов, которыми располагают современные биологи.

Первые микроскопы

Исторически первыми приборами для изучения клеток были световые микроскопы. Принцип их работы заключается в том, что через прозрачный объект проходят лучи света, которые после этого попадают в систему увеличительных линз. Современные световые микроскопы дают возможность увеличения объекта наблюдения в 2 тысячи раз. Но возможности его ограничиваются разрешающей способностью – минимальным расстоянием между двумя точками, когда их еще видно как отдельные объекты. Границы этой способности – физические особенности природы света, длина световой волны. Лучший современный световой микроскоп позволяет увидеть структуры с расстоянием между элементами в 0,25 микрометра. Для сравнения: размер бактерии кишечной палочки – 2 микрометра. Таким образом, световая микроскопия позволяет изучать одноклеточные организмы, строение тканей и клеток, но внутреннее строение органелл клетки, мелких бактерий и вирусов недоступны данному методу изучения жизнедеятельности клеток. Но определенные преимущества у данного метода есть – он позволяет вести прижизненное изучение биологического объекта. Кроме того, различные методики окрашивания препаратов дают четкие картинки и широко используются в клинической диагностике.

Электронная микроскопия

Границу разрешительной способности можно перешагнуть, если использовать не свет для получения изображения, а электроны. И такой шаг был сделан в 1931 году, кода был выдан первый патент на просвечивающий электронный микроскоп. В данном устройстве тоже есть линзы, но они не стеклянные, а магнитные. Они фокусируют электроны и выводят изображение на экран. Электронная микроскопия как метод изучения жизнедеятельности клетки позволяет увеличить объект в миллион раз, а граница разрешающей способности увеличивается до 0,5 нанометров. Современные электронные микроскопы бывают просвечивающими и растровыми (сканирующими). Но какого типа ни был бы увеличительный прибор, у него есть свои недостатки. Несмотря на очень высокую четкость изображения, такие приборы не позволяют изучать биологические объекты при жизни, и подготовка образца для такого исследования – очень долгий и дорогостоящий процесс.

Трехмерная модель клетки

Одним из новейших способов изучения жизнедеятельности клетки, которому всего пара десятилетий, является флуоресцентная микроскопия. Метод основан на внесении в клетку специальных светящихся меток (вещества, которые при определенном освещении светятся другим цветом). Ими можно пометить отдельные молекулы вещества и проследить их путь в клетке. Кроме того, такие метки дают красивые и четкие трехмерные картинки объекта.

Разобрать клетку на части

Для изучения строения отдельных структурных компонентов клетки важно выделить их в чистом виде, что стало вполне реальным в начале 40-х годов прошлого века. Такое разделение на фракции возможно при использовании дифференционного центрифугирования как одного из методов изучения жизнедеятельности клетки. План применения этого метода состоит из двух этапов: разрушение клетки и разделение компонентов на фракции, различные по своему молекулярному весу. Разрушают оболочки клеток ультразвуком, продавливанием или простым измельчением.

В центрифуге, за счет центробежных сил, более тяжелые компоненты оседают первыми. Так, при высоких скоростях центрифугирования, ядра клеток оседают первыми, затем – митохондрии и другие органеллы, последними оседают рибосомы. Отделенные органеллы легко изучать под микроскопом. При осторожном применении данного метода изучения жизнедеятельности клетки план строения органелл сохраняется, и появляется возможность установить молекулярный механизм некоторых процессов. Именно использование фракционного центрифугирования позволило расшифровать этапы биосинтеза белков в клетках.

Заморозим и изучим

Довольно новым в биологии методом изучения клетки является замораживание-скалывание. При обычной заморозке в клетках появляются кристаллы льда, которые искажают структуру. Но при быстрой заморозке жидким азотом (температура минус 196 градусов по Цельсию) вода не переходит в кристаллическую форму и клетки не деформируются. Затем кусочки образца раскалывают, избытки льда удаляют, напыляют слой тяжелых металлов. Затем саму ткань образца растворяют, а оттиск оставляют и в результате получают эффект теней. Изображение в микроскопе получается объемным. Именно благодаря использованию такого метода изучения жизнедеятельности клеток удалось изучить строение мембран.

Метод культуры

Какие методы используют для изучения клеток современные ученые? Вот один из самых необычных и невероятно перспективных – выращивание на специальных средах. Этот метод используется, когда необходимо много одинаковых клеток для изучения. Причем живых. Тогда готовится очень сложная среда (13 аминокислот, 8 витаминов, глюкоза, антибиотики и минеральные соли), на которую помещают культуру клеток. Известно, что клетки в культуре погибают после определенного числа делений. Но в культуре могут появиться мутантные виды, которые способны к бесконечному размножению. Именно их и выводят в чистую линию, которая называется перевиваемой. Самая известная такая линия — линия HeLa – клетки раковой опухоли шейки матки. Они были выведены в 1952 году.

Микрохирургия в клетках

Это один из самых интересных методов изучения клеток. Микроманипуляторами (очень маленькие крючки, пипетки, иглы, капилляры) клетка разрезается, и в нее можно как что-либо добавить, так что-либо и изъять. За всем процессом специалист следит в микроскоп. Именно таким способом можно пересадить ядро одной клетки в другую и доказать, что именно оно является видоопределяющим фактором (такие опыты были проведены с амебами). Этот способ открывает возможности введения в живые клетки антител и специальных белков, которые значительно влияют на жизнедеятельность. Метод сегодня активно развивается, широко применяется он в генной инженерии – отдельном направлении биологии, направленном на манипуляции с генами организмов и выращивание искусственных белков, тканей и целых организмов.

Нанороботы в цитологии

Американскими биологами уже создан нанозонд, который может мониторить электрохимические и биохимические процессы в живых клетках. Экспериментальная модель настолько мала, что способна поместиться в ядре или даже митохондрии.

А вот в Швеции разработан наносенсор, который измеряет рН в цитоплазме клетки и способен отличить даже отдельные молекулы химических веществ в разных частях клетки. Кроме того, он почувствует очень слабый электрохимический потенциал, который возникает при соединении биомолекул.

В Кембриджском университете ученые спроектировали нанодвигатель, способный доставить внутрь клетки что угодно – от молекул питательных веществ до антител. Назвали его «муравей» — он оказывает силу на предмет, в 100 раз превышающую его вес. Перспективы «муравья» в медицине поражают своим размахом.

И напоследок. Датчики здоровья, молекулярные ассемблеры, нанозонды и устройства хранения информации – это уже не будущее технологий, а настоящее. Американский изобретатель и футуролог Рэй Курцвейл утверждает, что с помощью нанотехнологий биологическая нервная система человека может быть подключена к Интернету уже в 2030 году.

Источник

Методы изучения клетки: какие методы используются в цитологии

Содержание:

Методы изучения клетки. Таблица

Название	Краткое описание методов изучения клетки
Световая микроскопия	В световом микроскопе объект освещается видимым светом. Можно рассмотреть внешнее и внутреннее строение клетки, мембрану, клеточную стенку, ядро, органеллы и включения размером более 200 нм.
Электронная микроскопия	Метод получил развитие в начале 30-х г. XX в. после изобретения электронного микроскопа. Возможно изучение объектов размером 1 нм, освещенных пучком электронов.
Центрифугирование	Метод избирательного изучения органоидов клетки. Образец вращают при помощи специальной центрифуги для разделения содержимого клетки на слои. Ультрацентрифугирование — метод выделения биохимических структур и молекул, входящих в состав клетки.
Авторадиография	Заменяют атомы углерода или других элементов на радиоактивные изотопы. Метод меченых атомов помогает наблюдать за процессами перемещения органелл и веществ внутри клеток.
Клеточные культуры	Выращивание колоний клеток на питательных средах для последующего изучения.

Микроскопия

Информацию в таблице «Методы цитологии» рекомендуется дополнить рассказом о световом и электронном микроскопах. Начало изучения микромира связано с изобретением первого светового микроскопа в 1590 году (братьями Янсен). Первые исследования клеточного строения живых организмов с помощью микроскопа выполнили Р. Гук (1665 г.) и А. Левенгук (1696 г.).

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:

1. Внутри электронного микроскопа создают вакуум для того, чтобы пучок электронов не рассеивался.
2. Для исследования необходимы предварительная фиксация и обезвоживание препаратов.
3. После этого объекты заливают в плотную среду для выполнения тончайших срезов при помощи ультратонкого ножа — микротома.
4. 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.

Флуоресцентный и конфокальный микроскопы позволяют получать изображения некоторых объектов с максимальным разрешением. Трансмиссионный микроскоп дает изображение среза «на просвет». Сканирующий электронный микроскоп дает объемные изображения объектов.

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.

Источник

Биология. 5 класс

Конспект урока

Биология, 5 класс

Урок 7. Жизнедеятельность клетки

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Урок посвящён изучение процессов жизнедеятельности, протекающих в клетках живых организмов.

Клетка, деление клетки, раздражимость, транспорт веществ

Обмен веществ – это процесс поглощения клеткой нужных ей веществ, их сложных превращений внутри и выведения ненужных веществ в окружающую среду.

Раздражимость – способность клеток живых организмов реагировать на внешнее и внутреннее воздействия изменением своих физико-химических и физиологических свойств.

Деление клетки – процесс образования из родительской клетки двух и более дочерних клеток.

Рост клетки – это увеличение объёма, массы и размера клетки.

Обязательная и дополнительная литература по теме

1. Биология. 5–6 классы. Пасечник В. В., Суматохин С. В., Калинова Г. С. и др. / Под ред. Пасечника В. В. М.: Просвещение, 2019
2. Биология. 6 класс. Теремов А. В., Славина Н. В. М.: Бином, 2019.
3. Биология. 5 класс. Мансурова С. Е., Рохлов В. С., Мишняева Е. Ю. М.: Бином, 2019.
4. Биология. 5 класс. Суматохин С. В., Радионов В. Н. М.: Бином, 2014.
5. Биология. 6 класс. Беркинблит М. Б., Глаголев С. М., Малеева Ю. В., Чуб В. В. М.: Бином, 2014.
6. Биология. 6 класс. Трайтак Д. И., Трайтак Н. Д. М.: Мнемозина, 2012.
7. Биология. 6 класс. Ловягин С. Н., Вахрушев А. А., Раутиан А. С. М.: Баласс, 2013.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Живые клетки дышат, питаются, растут и размножаются. Вещества, необходимые для жизнедеятельности клеток, поступают в них сквозь клеточную мембрану в виде растворов из внешней среды и других клеток. Причём мембрана хорошо пропускает в клетку одни вещества (например, воду) и задерживает другие. В клетках живых организмов постоянно происходят разнообразные реакции. Если их ход нарушается, то это может привести к серьёзным изменениям жизнедеятельности клетки. Так, получаемые извне органические и минеральные вещества используются клетками для образования необходимых им веществ и построения клеточных структур. При распаде органических веществ выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности клетки. Движению питательных веществ внутри клетки способствует цитоплазма. Чем активнее жизнедеятельность клетки, тем больше скорость движения цитоплазмы.

Для клеток, как и всего живого на Земле, характеры обмен веществ и энергии, рост и размножения. Клетки живых организмов дышат, питаются, растут, обладают способностью к размножению.

Движение цитоплазмы внутри клетки способствует перемещению питательных веществ и воздуха. Чем активнее жизнедеятельность клетки, тем больше скорость движения цитоплазмы. Нередко живые растущие клетки всех органов растения меняют форму. Их оболочки округляются и местами отходят друг от друга. В этих участках межклеточное вещество разрушается. Возникают межклетники, заполненные воздухом.

Для клеток характерно такое свойство всех живых организмов, как раздражимость, то есть они реагируют на внешние и внутренние воздействия. Одноклеточные организмы, реагируя на условия среды, могут изменять свою форму, двигаться в сторону пищи или, наоборот, покидать места, где условия неблагоприятны.

В результате деления и роста клеток происходит рост организма у целом. Деление клетки – необходимый процесс постоянного обновления клеток. Поскольку происходит увеличение количества клеток, этот процесс считается размножением клеток.

Разбор типового тренировочного задания:

Тип задания: Установите соответствие

Источник