Розділ і . Клітинна організація живих організмів. І. 1. Клітина як рівень організації живого, клітинна теорія, методи вивчення клітини

Повсякденна практика показує, що в неживих утвореннях рівень впорядкованості постійно знижується: гори руйнуються, мертві організми гниють і т.і. Ця загальна тенденція відображена в другому законі термодинаміки, який говорить, що в будь якій ізольованій системі, а нежива природа складається з ізольованих систем, ступінь безладності може тільки збільшуватися.

В той же час живі системи на всіх рівнях організації (молекулярному, клітинному, організменному, екосистемному, популяційно-видовому, біосферному) мають високий ступінь впорядкованості. Ясний лад, порядок, видно і в окремих органах (крило метелика, око восьминога і т.і.) і в субклітинних утвореннях (мітохондрії, джгутики), у формі та розташуванні елементів, що їх складають. Всі атоми зібрані у виключно точні структури, хоча всі вони надійшли із зовнішнього середовища, де знаходились у вкрай неорганізованому стані. За другим законом термодинаміки впорядкованість всередині живої системи завжди повинна компенсуватися збільшенням невпорядкованості решти Всесвіту, тобто зовнішнього середовища. Таким чином, живі організми повинні бути хоча б частково відкриті по відношенню до навколишнього середовища. Тому, живі організми з точки зору термодинаміки не можуть бути ізольованими системами. Оскільки всі організовані структури живого організму зазнають руйнування, потрібне їх відновлення.

Клітина, як і будь яка інша жива система повинна бути напівавтономною або напівізольованою хімічною системою. Для того, щоб підтримувати необхідну концентрацію речовин, ця система має бути фізично відділена від свого оточення. Вона поглинає ті речовини, які потрібні їй в якості “сировини” для побудови клітинних структур і виводить назовні “відходи” – продукти обмінних процесів. Завдяки цьому забезпечується стабільність характеристик внутрішнього середовища - гомеостаз.

Клітинна теорія. Серед вчених, які сформулювали клітинну теорію, виділяють наступних:

Роберт Браун 1831-1833 рр., дослідив ядро як характерне сферичне тіло, здатне до поділу в рослинних клітинах;

Пуркіньє 1840 р., запропонував назву “протоплазма” для клітинного вмістилища, пересвідчившись, що саме воно, а не клітинна стінка являє собою живу речовину;

Вірхов 1855 р.,довів, що всі клітини утворюються з інших шляхом клітинного поділу;

Ботанік Шлейден і зоолог Шванн 1838-1839 рр., об’єднали ідеї різних вчених і сформулювали “клітинну теорію”, за якою основною одиницею структури і функції в живих організмах є клітина.

Всі перелічені наукові факти стали відомі завдяки застосуванню мікроскопічної техніки. Сьогодні використовується цілий ряд методів для вивчення клітини: мікроскопія, біохімічні методи, радіологічний, метод культури тканини, біотести і т.і.

Мікроскопія. Головним поняттям у мікроскопії є не збільшення, а дозволяюча здатність – здатність мікроскопа давати зображення двох об’єктів, розташованих близько один біля одного, як окремих. Дозволяюча здатність мікроскопа дорівнює половині довжини хвилі енергії, яка використовується. Отримати зображення об’єкта меншого розміру, ніж ця величина, неможливо. Так як середня довжина хвиль видимого світла складає близько 550 нм., то дозволяюча здатність світлового мікроскопа дорівнює приблизно 200 нм. З приставкою ультрафіолетового світла (середня довжина хвиль - 250 нм.) можна отримати дозволяючу здатність в 100 нм. Але багато клітинних структур мають менший розмір. Проблему їх вивчення було розв’язано із створенням електронного мікроскопа. В ньому як джерело енергії використовують пучок електронів, у яких довжина хвилі значно менша світлової, а значить, дозволяюча здатність електронного мікроскопа значно більша. Довжина хвилі електронів залежить від напруги, що подається до джерела електронів. Практично можна отримувати дозволяючу здатність в 0,5 нм., тобто в 500 разів більше, ніж у світловому мікроскопі. При використанні електронного мікроскопа головним лімітуючим фактором будуть вже методи підготовки живого матеріалу для дослідження.

Всередині колони електронного мікроскопа створюється глибокий вакуум, щоб запобігти розсіюванню електронів в наслідок контакту з молекулами газів повітря. Конденсори (електромагніти) потрібні для фокусування пучка електронів. В трансмісійному електронному мікроскопі електрони проходять через зразок, тому зріз повинен бути дуже тонким, бо електрони легко розсіюються або поглинаються зразком. Після проходження зразка електрони збираються на екран або на фотоплівку.

Головна вимога до фіксованого зразка – мінімум відмінності від живого матеріалу. Для фіксації використовують розчин – 99% етанолу + 1% оцтової кислоти або подібні препарати, які швидко вбивають рослинну тканину. Ділянки зразку з відносно високою молекулярною масою найкраще розсіюють електрони, тому при забарвленні тканин використовують солі важких металів (плюмбум, уран, осмій). На фотографіях такі ділянки виглядають темними. Напилення важкими металами під кутом робить зображення ще більш контрастним. Застосовують також негативне контрастування, коли фарбується фон (при вивченні поверхні дрібних частинок, рибосом, вірусів, мембран, барвник розташовуюється між деталями поверхневої будови). При використанні метода заморожування - розколювання фрагмент тканини швидко заморожують у рідкому азоті, а потім розколюють вздовж слабо з’єднаних площин, переважно мембран. Отримана поверхня точно повторює структуру мембрани.

В скануючому електронному мікроскопі дуже точно сфокусований пучок електронів рухається по зразку, відбивається від його поверхні і формує зображення. Переваги цього мікроскопа в тому, що деталі будови поверхні видно з більшою глибиною різкості, що створює ефект тримірності. Дозволяюча здатність скануючого мікроскопа дещо нижча, ніж трансмісійного - 5-20 нм., але він дозволяє працювати із зразками більшої товщини.