План урока:

Развитие знаний о клетке

Современная клеточная теория

Методы цитологии

Развитие знаний о клетке

Развитие знаний о клетке начинается с семнадцатого века.

Предпосылкой ее открытия стало изобретение микроскопа и использование его для исследования биологических объектов. В 1665 году англичанин Роберт Гук изучал под микроскопом срез пробки и обнаружил, что она состоит из ячеек. Внешне они напоминали пчелиные соты, и учёный дал им название клетки. Такое же строение Гук отметил в сердцевине бузины, камыша и некоторых других растений.

Во второй половине 17 века клеточное строение растений было подтверждено М.Мальпиги (1675) и Н.Грю (1682). Значительный вклад в изучение клеток внес голландский ученый А.Левенгук, открывший в 1674 г. одноклеточные организмы – бактерии. Он же впервые увидел клетки животного – эритроциты.

Первая половина 19 века ознаменовалась открытием яйцеклетки млекопитающих Карлом Бэром. Он доказал, что все организмы развиваются из одной клетки. Ученым были сформулированы основные закономерности эмбриологии, которые получили название закон Бэра.

Соответственно, в 19 веке происходило активное развитие знаний о клетке, что стало предпосылками для разработки клеточной теории. К этому времени сложилось представление о клетке как элементарной микроскопической структуре всех живых существ.

Важнейшим толчком для разработки положений клеточной теории явилось доказательство наличия ядра в растительной клетке,сделанное Маттиасом Шлейденом.

В 1838г выходит в свет труд «Материалы к филогенезу», в котором Шлейден излагает свою теорию происхождения клеток. Он утверждал, что любая клеточная структура происходит от материнской клетки. Однако ученый не предполагал, что животные также состоят из клеток.

Намного дальше продвинулся ученый Теодор Шванн, который и сформулировал теорию клеточного строения, основываясь на выводах Шлейдона.

В 1839г он опубликовал книгу, в которой обобщил накопленные знания о клетке. Этот труд отражал главную идею теории Шванна: жизнь сосредоточена в клеточных структурах.

Выделим основные положения первой клеточной теории созданной Шванном и Шлейденом.

Теория была существенно дополнена Рудольфом Вирховым. В 1858г вышел в свет основной труд немецкого ученого «Целлюлярная (клеточная) патология». Эта книга положила начало новой науке – патологии, но помимо этого, была описана роль частей клетки в организме. Также Вирхов разработал еще одно положение клеточной теории: «Клетка способна возникнуть преимущественно из предыдущей клетки вследствие ее деления».

Открытия Вирхова легли в основу современной клеточной теории, пополнявшейся с помощью новых методов исследования.

К 20 веку сформировалась самостоятельная ветвь биологии, изучающая клетки – цитология.

Остановимся подробнее на методах цитологии, с помощью которых клеточная теория в наше время дополняется новыми положениями.

Методы цитологии

Точные представления о химическом составе, строении и функциях всех основных структур клетки были получены с помощью основных методов цитологии. Познакомимся с ними на схеме.

Остановимся подробнее на каждом методе.

1. Самым древним методом изучения клеток в цитологии является световая микроскопия. Изобретение первого простейшего микроскопа датируется 1608 годом и принадлежит очковому мастеру Захарию Янсену.

Микроскоп Янсена был больше всего похож на увеличительную трубку и для изучения клеточного строения не был использован. Первым, кто использовал микроскоп для изучения живых организмов, считается Роберт Гук. Его увеличительный прибор был более совершенным, позволявшим увеличивать объекты в 50 раз.

Микроскоп Р.Гука

Непосредственно с данного момента начинается использование метода световой микроскопии для изучения клеток.

Антони ван Левенгук усовершенствовал микроскоп таким образом, что живые объекты можно было рассматривать в 300-кратном увеличении.

На иллюстрации изображен простейший увеличительный прибор 17 века. Что же представляет его конструкция? Обычная пластина, в центре которой находится линза, а напротив нее игла для крепления объекта. Наблюдатель должен был смотреть через линзу на объект, обязательно при этом направлять отверстие на горящую свечу или яркий солнечный свет. Вот такой простой прибор давал многократное увеличение, что явилось еще одним шагом для создания современных приборов в световой микроскопии.

С течением времени изменялся внешний вид микроскопов и их возможности для изучения клеток. Как же выглядит современный световой микроскоп? Познакомимся на рисунке.

Впервые со световым микроскопом вы познакомились на уроках биологии в 5 классе. Для повторения материала по устройству микроскопа и определению его увеличительной способности можно обратиться к уроку Клеточное строение растений.

В этих микроскопах используется световая волна, и рассматривать объекты меньше длины такой волны невозможно. Поэтому на смену световым микроскопам пришли электронные, использующие пучки электронов.

Однако световые микроскопы используются до сих пор. Преимуществом световой микроскопии является простота в использовании, возможность рассматривать живые объекты и следить за процессами, протекающими в них.

1. Одним из основных методов цитологии в современном мире является электронная микроскопия. Первый электронный микроскоп был создан Райнхольдом Руденбергом.

Возможности электронного микроскопа значительно шире светового – можно рассматривать объекты величиной около 1 нм. Познакомимся на рисунке со сравнительными размерами некоторых объектов, которые можно увидеть невооруженным взглядом, рассмотреть в световой или электронный микроскоп.

Проанализировав рисунок, можно явно увидеть преимущества электронного микроскопа при изучении клетки. Однако недостатком считается невозможность таким способом изучать живые объекты. Любая клетка перед исследованием подвергается обработке, при которой она погибает. Приготовленный препарат исследуют под микроскопом и результатом становится черно-белое увеличенное изображение объекта. Так, к примеру, впервые было получено изображение многих вирусов и изучено их строение.

Изображение коронавируса с помощью электронного микроскопа

Суть действия электронного микроскопа основана на проникновении пучка электронов через линзы на объект. Часть электронов рассеиваются на препарате, и воссоздается изображение, отображаемое на экране.Познакомимся на рисунке со строением электронного микроскопа.

У данного метода есть и недостатки. Оборудование достаточно дорогое и сложное в применении. При этом такие микроскопы должны быть размещены в устойчивых зданиях, без наличия других электромагнитных полей.

Широко используется такой метод исследования в науке, а также во многих областях промышленности. Особенно следует отметить такую отрасль как нанотехнология, которая развивается только благодаря созданию электронного микроскопа.

1. Изучение отдельных органоидов клетки осуществляется методом ультрацентрифугирования. Для этого используют специальные приборы, именуемые центрифугами.

Центрифуга лабораторная

Для начала клетки проходят подготовительный этап – их дробят, разрушая клеточные оболочки. Затем их помещают в центрифугу в пробирках и вращают с очень большой скоростью. Принцип действия метода ультрацентрифугирования основывается на различной плотности, массе и размерах составных частей клетки. При вращении они осаждаются с разной скоростью и расслаиваются, к примеру, как на рисунке.

Аналитическое центрифугирование широко используется при лабораторных исследованиях в медицине. К примеру, для анализа содержания в крови иммуноглобулинов применяют ультрацентрифугирование белков. Такой анализ необходим для выявления проблем с иммунной системой.

Анализ крови методом центрифугирования

Современная клеточная теория

Со времени основания клеточной теории осуществлялось развитие учения о клетке как элементарной микроскопической структуре организма. К первой половине 20 века стало ясно первоочередное значение клеточных структур в передаче наследственной информации. Благодаря успехам микроскопической техники обнаружено сложное строение клетки, описаны ее части и их функции. Описан способ образования новых клеток путем деления материнской клеточной структуры.

Все открытия в цитологии были учтены при разработке положений современной клеточной теории.

Рассмотрим сложившиеся к настоящему времени основные положения клеточной теории.

Первое положение клеточной теории изложено еще Теодором Шванном и лишь немного претерпело изменения. Ученый утверждал, что растительный и животный организм состоит из клеточных структур. Со временем науке стали известны и другие царства живых организмов. Поэтому данное положение было сформулировано по-иному.

В чем же суть первого положения современной клеточной теории? Всем известно,что организмы обладают клеточным строением, помимо этой структуры жизнь не существует. Сейчас известны только одни неклеточные существа – вирусы, однако к жизнедеятельности они способны только при проникновении внутрь клетки.

Причем согласно клеточной теории клетка считается функциональной единицей, то есть она способна жить, питаться, осуществлять обмен веществ. В этом она сравнима с целым организмом. 

Второе утверждение клеточной теории говорит о том, что клетки обладают единым планом строения, то есть у всех клеточных структур есть оболочка, ядро, цитоплазма, а также другие части. Им характерен одинаковый состав,представленный такими веществами как белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты. Соответственно, при таком сходстве сохраняется и единый принцип жизнедеятельности.

Третий постулат современной клеточной теории сформулирован еще Рудольфом Вирховым. Именно он утверждал, что клетки могут появляться только из других таких же структур. В дальнейшем это подтвердилось наукой и до настоящего времени иных способов образования клеток не выявлено.

Согласно клеточной теории клетка – это основная единица организмов, хотя она способна и к самостоятельной жизнедеятельности. Действительно, мы знаем, что существуют одноклеточные существа, где клетка исполняет роль целого организма. На клеточном уровне обнаруживаются все свойства живого: способность к саморегуляции, размножение, рост и развитие, обмен веществ. Однако в многоклеточном организме, каждая группа клеток совершает какие-то специфические функции. Такое разделение функций в организме способствовало появлению значительных возможностей для адаптации к среде обитания.

В чем же значение теории клеточного строения организмов для человечества?

Очень хорошо оценил ее роль Ф.Энгельс, обозначив клеточную теорию как одно из главнейших достижений человечества наряду с законом сохранения энергии и эволюционной теорией. В своих трудах он писал, что данное открытие позволило понять единство развития всех живых существ. Однако, клетки способны видоизменяться и это явилось толчком эволюции организмов.

Клеточная теория имела большое значение для становления материалистических представлений в биологии и медицине. Благодаря полученным знаниям развиваются новые области науки – биотехнология, нанотехнология, клеточная инженерия, селекция микроорганизмов.