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.