Основні відмінності між клітинами рослин, тварин і грибів

Внутрішній вміст кожної клітини оточує поверхневий апарат. До його складу входять плазматична мембрана, надмембранні та підмембранні структури. Поверхневий апарат клітини захищає її внутрішній вміст від несприятливих впливів довкілля, забезпечує обмін речовинами та енергією між клітиною і середовищем, що її оточує.

Внутрішнє середовище клітини - це цитоплазма (від грец. китос - клітина та плазма - виліплене). До її складу входять різні органічні та неорганічні сполуки, а також клітинні компоненти: органели та включення. Цитоплазма за допомогою внутрішньоклітинних мембран поділена на окремі функціональні ділянки.

У цитоплазмі розташований внутрішньоклітинний скелет, або цитоскелет (від китос та скелетон - скелет) (див. мал. 16.3). Це система білкових утворів - мікротрубочок і мікрониток, яка виконує насамперед опорну функцію. Крім того, елементи цитоскелета беруть участь у зміні форми та русі клітини, забезпечують певне розташування і переміщення органел.

Органели (від грец. органон - орган, інструмент) - постійні клітинні структури (ще раз погляньте на малюнок 14.2 і пригадайте, які органели клітин вам відомі з попередніх курсів біології та які їхні функції). Кожна з органел забезпечує відповідні процеси життєдіяльності клітини (живлення, рух, синтез певних сполук, зберігання і передачу спадкової інформації тощо). Одні органели обмежені однією мембраною (вакуолі, комплекс Гольджі, ендоплазматична сітка, лізосоми), інші - двома (хлоропласти, мітохондрії, ядро) або ж взагалі не мають мембранної оболонки (клітинний центр, рибосоми, мікротрубочки, мікронитки). Особливості будови тієї чи іншої органели тісно пов’язані з її функціями.

На відміну від органел, клітинні включення - непостійні компоненти клітини. Вони можуть зникати і знову з’являтись у процесі її життєдіяльності. Включення - це запасні сполуки чи кінцеві продукти обміну речовин.

• Основні етапи дослідження клітин. Ви вже знаєте, що будову та процеси життєдіяльності клітини вивчає наука цитологія. Той з вас, хто не полінувався прочитати «Короткий нарис з історії біології» (с. 7), згадає прізвища вчених, які зробили свій внесок у розвиток цієї науки. Простежимо хронологію основних подій у цій галузі.

Сучасні дослідження в галузі цитології спрямовані насамперед на вивчення найдрібніших органел і структур. Адже вдосконалені збільшувальні прилади і новітні технології відкривають нові перспективи перед дослідниками. Нині дедалі більше розвиваються дослідження в галузі клітинної інженерії, цитотехнології тощо.

• Методи дослідження клітин. Першим приладом, який дав змогу вивчати клітини, був світловий (оптичний) мікроскоп. Методи досліджень, які здійснюють за допомогою цього приладу, називають світловою мікроскопією.

Метод світлової мікроскопії ґрунтується на тому, що через прозорий чи напівпрозорий об’єкт дослідження проходять промені світла, які згодом потрапляють до системи лінз об’єктива та окуляра (мал. 14.3, 1). Ці лінзи збільшують об’єкт дослідження, при цьому кратність збільшення можна визначити як добуток збільшень об’єктива й окуляра. Наприклад, якщо лінзи окуляра забезпечують збільшення в 10 разів, а об’єктива - в 40, то загальне збільшення об’єкта досліджень становитиме 400 разів. Сучасні світлові мікроскопи можуть забезпечувати збільшення до 2-3 тис. разів. Удосконалити свої навички роботи зі світловим мікроскопом ви зможете під час виконання лабораторної роботи № 3 (див. лабораторний практикум, с. 109).

Клітинні структури найдрібніших розмірів (цитоскелет тощо) були відкриті і вивчені за допомогою електронного мікроскопа, винайденого в першій половині XX сторіччя. Електронний мікроскоп здатний збільшувати зображення об’єктів дослідження до 500 тисяч разів і більше.

Конструкція електронного мікроскопа дещо нагадує конструкцію світлового, але замість променів світла в ньому застосовують потік електронів, які рухаються в магнітному полі (мал. 14.3, 2). Роль лінз при цьому виконують електромагніти, здатні змінювати напрямок руху електронів, збирати їх у пучок (фокусувати) й спрямовувати його на об’єкт дослідження.

Частина електронів, проходячи через об’єкт дослідження, може відхилятися, розсіюватися, поглинатися, взаємодіяти з об’єктом або проходити крізь нього без змін. Пройшовши через досліджуваний об’єкт, електрони потрапляють на люмінесцентний екран, спричиняючи його нерівномірне свічення, або на особливий фотоматеріал, за допомогою якого зображення можна фотографувати.

Мал. 14.3. Фотографії амеби, зроблені за допомогою: А - світлового мікроскопа; Б - електронного мікроскопа; В - сканувального мікроскопа. Принцип роботи світлового (1), електронного (2) та сканувального (3) мікроскопів

Поверхні клітин, окремих органел тощо можна вивчати методом сканувальної електронної мікроскопії (мал. 14.3, 3). При цьому потік електронів не проходить крізь об’єкт дослідження, а відбивається від його поверхні.

У живих клітинах вивчають процеси життєдіяльності (рух цитоплазми, поділ тощо). Тонкощі клітинної будови вивчають на певним чином оброблених клітинах. Для цього клітини необхідно попередньо зафіксувати особливими речовинами (спирт, формалін тощо), швидким заморожуванням або висушуванням. Окремі структури фіксованих клітин забарвлюють особливими барвниками та виготовляють мікроскопічні препарати, які можуть зберігатися тривалий час. Аби за допомогою електронного сканувального мікроскопа сфотографувати поверхні клітини чи окремих органел, їх покривають металічним пилом, наприклад золотим.

Постійно мати у своєму розпорядженні клітини різних типів дає змогу метод культури клітин. При цьому живі клітини утримують та розмножують на штучних поживних середовищах (наприклад, виготовлених з агару - речовини, яку добувають з червоних водоростей). Змінюючи компоненти поживного середовища, можна спостерігати, як ті чи інші сполуки впливатимуть на ріст і розмноження клітин, інші їхні властивості. Культури клітин використовують у медицині, ветеринарії та службі захисту рослин для перевірки впливу різноманітних хімічних препаратів, вірусів, одноклітинних організмів, отримання біологічно активних речовин (лікарських, біостимуляторів тощо).

Метод мічених атомів, або авторадіографія, дає змогу з’ясувати місце та перебіг певних фізико-хімічних явищ у клітині. Для цього до клітини вводять речовину, в якій один з атомів певного елемента (Карбону, Фосфору тощо) заміщений його радіоактивним ізотопом. За допомогою особливих приладів, здатних виявляти ізотопи, можна прослідкувати за міграцією цих речовин у клітині, їхніми перетвореннями, виявити місце та характер тих чи інших біохімічних процесів. Наприклад, за допомогою цього методу було доведено, що під час мейотичного поділу хромосоми однієї пари обмінюються своїми ділянками.

Для вивчення різних структур клітин використовують також метод центрифугування. При цьому клітини попередньо подрібнюють і в особливих пробірках поміщають у центрифугу - прилад, здатний розвивати швидкі оберти. Оскільки різні клітинні структури мають неоднакову щільність, при дуже швидких обертах центрифуги вони осідатимуть шарами: щільніші органели - швидше і тому опиняться знизу, а менш щільні - зверху (мал. 14.4). Ці шари розділяють і вивчають окремо.

• Застосування цитологічних методів у визначенні природи (діагностиці) захворювань. Цитологічні методи широко застосовують для діагностики різноманітних захворювань людини, свійських тварин та культурних рослин, вивчення фізіологічного стану організмів. Так, в онкології (наука, яка вивчає причини виникнення, розробляє засоби діагностики та лікування ракових захворювань) ці методи використовують для виявлення злоякісних і доброякісних пухлин, діагностики передракових станів і первісних стадій цих захворювань. Для цього виявляють аномальні клітини та вивчають їхню здатність до швидкого розмноження. Розроблено цитологічні методики розпізнавання захворювань крові, травної системи, нирок, легень, шкіри тощо. Наприклад, значне збільшення кількості еритроцитів свідчить про небезпечну хворобу - еритроцитоз, а лейкоцитів - про білокрів’я (лейкоз).

Мал. 14.4. Метод центрифугування: 1 - принцип роботи центрифуги; 2 - послідовні стадії осідання структур клітин залежно від їхньої маси

Ключові терміни та поняття. Цитоплазма, цитоскелет, органели, клітинні включення.

Коротко про головне

• Клітина - основна структурно-функціональна одиниця всіх живих організмів, елементарна біологічна система. На клітинному рівні організації повністю проявляються всі основні властивості живого: обмін речовин і перетворення енергії, здатність до росту і розмноження, руху, збереження і передача спадкової інформації нащадкам тощо.
• Клітини складаються з поверхневого апарату та цитоплазми. Поверхневий апарат оточує внутрішній вміст клітини. До його складу входять плазматична мембрана, надмембранні та підмембранні структури. Внутрішнє середовище клітини - цитоплазма. До її складу входять різні органічні та неорганічні сполуки, а також органели та включення. Органели - постійні клітинні структури, кожна з яких виконує певні функції. Клітинні включення - непостійні компоненти клітини, які можуть з’являтися та зникати в процесі життєдіяльності клітини.
• Для дослідження клітин використовують різноманітні методи: світлову та електронну мікроскопію, авторадіографію, центрифугування тощо. Клітини можна досліджувати як живими, так і в зафіксованому стані. Для того щоб постійно вивчати клітини певних типів, застосовують метод культури клітин.

Запитання для самоконтролю

1. Чому клітину вважають елементарною структурно-функціональною одиницею всіх організмів? 2. Які структури входять до складу клітин? 3. Що таке поверхневий апарат клітини та цитоплазма? 4. За допомогою яких методів вивчають клітини? 5. Які організми належать до еукаріотів, а які - до прокаріотів?

Поміркуйте

Що спільного та відмінного між клітинними включеннями та органелами? Відповідь обґрунтуйте.