Вы помните, что живые существа состоят из клеток. Исключение представляют вирусы, которые большинство ученых считает неклеточной формой жизни.

• Клетка - основная структурно-функциональная единица всех организмов, элементарная биологическая система. Это означает, что на клеточном уровне организации живой материи полностью проявляются все основные свойства живого: обмен веществ и преобразование энергии, способность к росту, размножению, движению, сохранению и передаче наследственной информации потомству и т. п.

Рис. 14.1. Разнообразие клеток животных (1) и растений (2)

Сегодня мы начинаем экскурсию в удивительный мир клетки, мир, существующий в каждом из нас. Ведь организм человека, как и большинства животных, состоит из нескольких сотен разновидностей клеток (рис. 14.1, 1). Значительное многообразие клеток присуще также и растениям (рис. 14.1, 2).

Рис. 14.2. Строение клеток: животной (1); растительной (2); бактериальной (3)

• Организация клеток. Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым закономерностям. Так, все клетки состоят из поверхностного аппарата и цитоплазмы. В зависимости от наличия ядра все организмы делят на два надцарства: Прокариоты и Эукариоты. Клетки прокариот, кроме того, что не имеют ядра, еще и довольно просто организованы. Клетки эукариот - грибов, растений и животных - организованы сложнее и обязательно имеют ядро (рассмотрите рисунок 14.2 и определите, какие структуры общие для разных клеток).

Вспомните, особенностями строения клеток растений и грибов, в первую очередь, является наличие клеточной стенки. Благодаря этому форма клеток этих организмов более или менее постоянна. Клетки животных не имеют клеточной стенки, поэтому многие из них могут менять свою форму. В клетках различных представителей эукариот встречаются разные типы вакуолей. Например, в клетках растений и грибов присутствуют вакуоли с клеточным соком. В клетках животных из нет, зато часто встречаются пищеварительные вакуоли, в которых переваривается пища. Клетки растений отличаются от клеток грибов и животных наличием хлоропластов. Хотя эти органеллы имеются у некоторых одноклеточных животных, например у эвглены зеленой.

Внутреннее содержимое каждой клетки окружает поверхностный аппарат. В его состав входят плазматическая мембрана, надмембранные и подмембранные структуры. Поверхностный аппарат клетки защищает ее внутреннее содержимое от неблагоприятных влияний окружающей среды, обеспечивает обмен веществами и энергией между клеткой и окружающей средой.

Внутренняя среда клетки - это цитоплазма (от греч. китос - клетка и плазма - вылепленное). В ее состав входят разные органическое и неорганическое соединения, а также такие компоненты клетки, как органеллы и включения. Цитоплазма при помощи внутриклеточных мембран разделена на отдельные функциональные участки.

В цитоплазме расположен внутриклеточный скелет, или цитоскелет (от греч. китос и скелетон - скелет) (см. рис. 16.3). Это система белковых образований - микротрубочек и микронитей, которая выполняет прежде всего опорную функцию. Кроме того, элементы цитоскелета участвуют в изменении формы и движении клетки, обеспечивают определенное расположение и перемещения органелл.

Органеллы (от греч. органон - орган, инструмент) - постоянные клеточные структуры (еще раз взгляните на рисунок 14.2 и вспомните, какие органеллы клеток вам известны из предыдущих курсов биологии и каковы их функции). Каждая из органелл обеспечивает соответствующие процессы жизнедеятельности клетки (питание, движение, синтез определенных соединений, хранение и передачу наследственной информации и т. п.). Одни органеллы ограничены одной мембраной (вакуоли, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть, лизосомы), другие - двумя (хлоропласты, митохондрии, ядро) или вообще не имеют мембранной оболочки (клеточный центр, рибосомы, микротрубочки, микронити). Особенности строения каждой органеллы тесно связаны с ее функциями.

В отличие от органелл, клеточные включения - непостоянные компоненты клетки. Они могут исчезать и снова появляться в процессе ее жизнедеятельности. Включения - это запасные вещества или конечные продукты обмена веществ.

• Основные этапы исследования клеток. Вы уже знаете, что строение и процессы жизнедеятельности клетки изучает наука цитология. Тот из вас, кто внимательно прочел «Очерк об истории развития биологической науки» (с. 7), вспомнит фамилии ученых, сделавших свой вклад в развитие биологии. Проследим хронологию основных событий в этой области.

Современные цитологические исследования направлены прежде всего на изучение наименьших органелл и структур. Ведь усовершенствованные увеличительные приборы и новейшие технологии открывают новые перспективы перед исследователями. Ныне все больше развиваются исследования в областях клеточной инженерии, цитотехнологий и т. п.

• Методы исследования клеток. Первым прибором, который позволил изучать клетки, был световой (оптический) микроскоп. Методы исследований, которые осуществляют с его помощью, называют световой микроскопией.

Метод световой микроскопии основан на том, что через прозрачный или полупрозрачный объект исследования проходят лучи света, которые затем попадают в систему линз объектива и окуляра (рис. 14.3, 1). Эти линзы увеличивают объект исследования, при этом кратность увеличения можно определить как произведение увеличений объектива и окуляра. Например, если линзы окуляра обеспечивают увеличение в 10 раз, а объектива - в 40, то общее увеличение объекта исследований будет 400- кратное. Современные световые микроскопы могут обеспечивать увеличение до 2-3 тыс. раз. Усовершенствовать навыки работы со световым микроскопом вы сможете во время выполнения лабораторной работы № 3 (см. лабораторный практикум, с. 108).

Клеточные структуры наименьших размеров (мембраны и т. п.) были открыты и изучены при помощи электронного микроскопа, изобретенного в первой половине XX века. Электронный микроскоп способен увеличивать изображение объектов исследования в 500 тыс. раз и больше.

Конструкция электронного микроскопа несколько напоминает конструкцию светового, но вместо лучей света в нем применяют поток электронов, которые движутся в магнитном поле (рис. 14.3, 2). Роль линз при этом выполняют электромагниты, способные изменять направление движения электронов, собирать их в пучок (фокусировать) и направлять его на объект исследования.

Рис. 14.3. Фотографии амебы, сделанные с помощью: А - светового микроскопа; Б - электронного микроскопа; В - сканирующего микроскопа. Принцип работы светового (1), электронного (2) и сканирующего (3) микроскопов

Часть электронов, проходя через объект исследования, может отражаться, рассеиваться, поглощаться, взаимодействовать с объектом или проходить сквозь него без изменений. Пройдя через исследуемый объект, электроны попадают на люминесцентный экран, вызывая его неравномерное свечение, или на особый фотоматериал, с помощью которого изображение можно сфотографировать.

Поверхности клеток, отдельных органелл и т. п. также изучают методом сканирующей электронной микроскопии (рис. 14.3, 3). При этом поток электронов не проходит сквозь объект исследования, а отражается от его поверхности.

На живых клетках изучают процессы жизнедеятельности (движение цитоплазмы, деление и т. п.). Особенности тонкого строения изучают на обработанных определенным способом клетках. Для этого клетки необходимо предварительно зафиксировать особыми веществами (спирт, формалин и т. п.), быстрым замораживанием или высушиванием. Отдельные структуры фиксированных клеток окрашивают особыми красителями и изготовляют микроскопические препараты, которые могут храниться продолжительное время. Для того чтобы с помощью электронного сканирующего микроскопа сфотографировать поверхности клетки или отдельных органелл, их покрывают металлической (обычно золотой) пылью.

Постоянно иметь в своем распоряжении клетки разных типов позволяет метод культуры клеток. При этом живые клетки содержат и размножают на искусственных питательных средах (например, изготовленных из агара - вещества, добываемого из красных водорослей). Изменяя компоненты питательной среды, можно наблюдать, как те или иные соединения будут влиять на рост, размножение и другие свойства клеток. Культуры клеток используют в медицине, ветеринарии и службе защиты растений для проверки влияния на них разнообразных химических препаратов, вирусов, одноклеточных организмов, получения биологически активных веществ (лекарств, биостимуляторов и т. п.).

Метод меченых атомов, или ауторадиография, помогает определить место и ход определенных физико-химических процессов в клетке. Для этого в нее вводят вещество, в котором один из атомов определенного элемента (углерода, фосфора и др.) замещен его радиоактивным изотопом. С помощью особых приборов, способных обнаруживать изотопы, можно проследить за перемещением (миграцией) в клетке этих веществ, их преобразованиями, выявить место и характер тех или иных биохимических процессов.

Для изучения разных структур клеток используют также метод центрифугирования. При этом клетки предварительно измельчают и в особых пробирках помещают в центрифугу - прибор, способный развивать быстрые обороты. Поскольку разные клеточные структуры имеют неодинаковую плотность, при очень быстрых оборотах центрифуги они будут оседать слоями: более плотные органеллы осаждаются быстрее и потому окажутся снизу, а менее плотные - сверху (рис. 14.4). Эти слои разделяют и изучают отдельно.

• Применение цитологических методов для диагностики заболеваний. Цитологические методы широко применяют для диагностики разнообразных заболеваний человека, домашних животных и культурных растений, изучения физиологического состояния организмов. Так, в онкологии (наука, которая изучает причины возникновения, разрабатывает средства диагностики и лечения раковых заболеваний) эти методы используют для обнаружения злокачественных и доброкачественных опухолей, выявления предраковых состояний и первоначальных стадий этих заболеваний. Для этого находят аномальные клетки и изучают их способность к быстрому размножению. Разработаны цитологические методики распознавания заболеваний крови, пищеварительной системы, почек, легких, кожи и т. п. Например, значительное увеличение количества эритроцитов свидетельствует об опасном заболевании - эритроцитозе, а лейкоцитов - о белокровии (лейкозе).

Рис. 14.4. Метод центрифугирования: 1 - принцип работы центрифуги; 2 - последовательные стадии оседания структур клеток в зависимости от их массы

Ключевые термины и понятия. Цитоплазма, цитоскелет, органеллы, клеточные включения.

Кратко о главном

• Клетки состоят из поверхностного аппарата и цитоплазмы. Поверхностный аппарат окружает внутреннее содержимое клетки. В его состав входят плазматическая мембрана, надмембранные и подмембранные структуры. Внутренняя среда клетки - цитоплазма, в ее состав входят разные органические и неорганические соединения, а также такие компоненты клетки, как органеллы и включения.
• Для исследования клеток используют разнообразные методы: световую и электронную микроскопию, ауторадиографию, центрифугирование и др. Клетки исследуют как в живом виде, так и в зафиксированном состоянии. Для того чтобы постоянно изучать клетки определенных типов, применяют метод культуры клеток.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему клетку считают элементарной структурно-функциональной единицей всех организмов? 2. Какие компоненты входят в состав клеток? 3. Что такое поверхностный аппарат клетки и цитоплазма? 4. С помощью каких методов изучают клетки? 5. Какие организмы относятся к эукариотам, а какие - к прокариотам?

Подумайте

Что общего и отличного между клеточными включениями и органеллами? Ответ обоснуйте.