Клітина як одиниця живого і методи дослідження клітин

Усе живе на Землі — від одноклітинної амеби до синього кита — складається з клітин або є продуктом їхньої діяльності. Клітина — це найменша структурна, функціональна й генетична одиниця живого. Що це означає на практиці?

Клітина — найменша структурна одиниця

Усі живі організми побудовані з однієї або багатьох клітин і продуктів їхньої життєдіяльності (наприклад, міжклітинної речовини, волокон колагену). Немає жодної істоти, меншої за клітину, яка водночас була б живою. Віруси — найменші неклітинні форми життя — не здатні самостійно обмінюватися речовинами й розмножуватися поза клітиною-хазяїном.

Клітина — найменша функціональна одиниця

Саме в клітині відбуваються всі ключові процеси життєдіяльності: обмін речовин і енергії (метаболізм), подразливість (здатність реагувати на зміни середовища), ріст і самовідтворення. Молекули й органели, виділені з клітини, — мітохондрії, рибосоми, навіть ядро — не здатні підтримувати власне існування: вони можуть якийсь час виконувати окремі реакції, але швидко втрачають активність, не ростуть і не розмножуються. Тільки клітина як цілісна система може виконувати всі функції живого.

Клітина — найменша генетична одиниця

Кожна клітина містить повний набір спадкової інформації у формі ДНК. Під час поділу ДНК точно копіюється (реплікується) й передається дочірнім клітинам. Саме тому нащадки успадковують ознаки батьків. Сама по собі, без ферментів і рибосом, молекула ДНК не здатна ні подвоюватися, ні реалізовувати закодовану в ній інформацію; поза клітиною це можливо лише штучно, з доданими ферментами (як у ПЛР).

Властивості клітини як живої системи

• Відкритість — клітина постійно обмінюється речовинами й енергією з навколишнім середовищем через плазматичну мембрану.

• Подразливість — здатність реагувати на зміни температури, хімічного складу, світла тощо.

• Ріст — збільшення розмірів і маси клітини.

• Саморегуляція (гомеостаз) — підтримання сталості внутрішнього середовища: концентрації іонів, pH, температури.

• Самовідтворення — нова клітина виникає тільки поділом материнської (принцип «кожна клітина — від клітини»).

Одноклітинні організми — клітина як цілий організм

В одноклітинних еукаріотів (наприклад, амеба протей, хламідомонада, інфузорія-туфелька) одна клітина виконує всі функції цілого організму: живиться, дихає, рухається, розмножується, реагує на подразнення. Це ще один доказ того, що клітина — найменша одиниця живого.

Історична довідка

Програма НМТ не вимагає окремого знання клітинної теорії, але варто знати ключові віхи:

• 1665 р. — Роберт Гук уперше побачив і описав «клітини» (порожнини) у зрізі корка під виготовленим ним мікроскопом.

• 1670-ті рр. — Антоні ван Левенгук першим спостерігав одноклітинні організми (бактерії, інфузорій) під мікроскопом власної конструкції.

• 1838–1839 рр. — Теодор Шванн і Маттіас Шлейден узагальнили, що всі рослини й тварини складаються з клітин.

• 1858 р. — Рудольф Вірхов доповнив: «Omnis cellula e cellula» — кожна клітина походить від іншої клітини.

Розміри клітин

Більшість клітин еукаріотів мають розміри від 10 до 100 мкм (мікрометрів). Клітини бактерій — здебільшого 1–5 мкм. Для порівняння:

• 1 мм = 1000 мкм;

• 1 мкм = 1000 нм.

Неозброєним оком людина може розрізнити лише найбільші клітини: жовток яйця птахів (яйцеклітина), волокна бавовни (клітини епідерми насінини), клітини м'якуша кавуна (вони досягають 1 мм у діаметрі). Усі інші клітини можна побачити тільки під мікроскопом.

Отже, клітина є елементарною одиницею живого: вона — найменша структура, яка має всі властивості живого, містить спадкову інформацію й може існувати самостійно (в одноклітинних організмах) або як частина багатоклітинного організму.

Еукаріотична клітина (від грец. eu — добре, karyon — ядро) має складну внутрішню будову. Її можна уявити як три обов'язкові частини: поверхневий апарат, цитоплазму й ядро. Розгляньмо кожну з них.

Три обов'язкові частини еукаріотичної клітини

Органели: одномембранні, двомембранні й немембранні

Органели — це постійні структури цитоплазми, кожна з яких має певну будову й виконує специфічні функції. За кількістю мембран їх ділять на три групи:

Кожну з цих груп ми докладно розглянемо в окремих уроках курсу. Зараз важливо запам'ятати загальну класифікацію.

Принцип компартментації

Внутрішні мембрани ділять клітину на відсіки — компартменти. У кожному компартменті підтримується власний хімічний склад, тому в клітині можуть одночасно й незалежно відбуватися навіть протилежні процеси. Наприклад:

• на ендоплазматичній сітці синтезуються білки;

• у лізосомах ті самі білки розщеплюються до амінокислот.

Якби не компартментація, ферменти лізосом перетравили б усе довкола, включно з самою клітиною. Завдяки мембранам потенційно небезпечні процеси ізольовано.

Еукаріотичне ядро та прокаріотична відмінність

Еукаріоти мають оформлене ядро, відокремлене від цитоплазми двомембранною оболонкою. У прокаріотів (бактерій) ДНК лежить просто в цитоплазмі, ядерної оболонки немає, а мембранні органели (ЕПС, мітохондрії, пластиди, комплекс Гольджі) відсутні. Порівняння клітин рослин, тварин, грибів і бактерій чекає на тебе в окремому уроці.

Світловий (оптичний) мікроскоп — основний інструмент для вивчення клітин у школі та наукових лабораторіях. Як він працює і які структури дає змогу побачити?

Принцип роботи світлового мікроскопа

Світло від джерела проходить крізь тонкий прозорий препарат. Промені заломлюються, проходячи через структури клітини, і потрапляють у систему лінз. Зображення збільшують дві лінзи:

• Об'єктив — дає первинне збільшене зображення препарату.

• Окуляр — додатково збільшує це зображення для ока спостерігача.

Як обчислити збільшення

Збільшення мікроскопа = збільшення окуляра × збільшення об'єктива

Наприклад, окуляр ×10 і об'єктив ×40 дають загальне збільшення 10 × 40 = ×400. Найбільше корисне збільшення світлового мікроскопа — близько 1000–2000 разів.

Межа розрізнення — головне обмеження

Межа розрізнення (роздільна здатність) — це найменша відстань між двома точками, які на зображенні ще видно окремо, а не як одна пляма. Для світлового мікроскопа вона становить близько 0,2 мкм (200 нм). Усі деталі, менші за цей розмір, зливаються — їх неможливо побачити незалежно від збільшення.

Важливо не плутати збільшення з роздільною здатністю. Якщо просто зробити збільшення ×5000 на світловому мікроскопі, нових дрібних деталей не з'явиться — зображення стане великим, але розмитим.

Що можна побачити у світловий мікроскоп

• Клітини та їхню форму;

• Клітинну стінку (у рослин і грибів);

• Ядро й ядерце;

• Пластиди: хлоропласти (зелені), хромопласти (жовті, оранжеві);

• Велику центральну вакуолю в рослинних клітинах;

• Хромосоми в клітині, що ділиться (після фарбування);

• Мітохондрії — лише як дрібні зернятка після спеціального фарбування, без внутрішньої будови.

Чого побачити не можна

Усі ці структури менші за межу розрізнення 0,2 мкм:

Важлива перевага: живі клітини

Світлова мікроскопія дає змогу спостерігати за живими клітинами в реальному часі. Ти можеш побачити:

• рух цитоплазми й хлоропластів у клітинах листка елодеї;

• поділ клітин (мітоз);

• плазмоліз — відходження цитоплазми від стінки в гіпертонічному розчині на прикладі шкірки цибулі.

Щоб побачити окремі структури, препарати фарбують. Наприклад, розчин йоду забарвлює крохмаль у синій колір, а ядро стає помітнішим після фарбування ацетокарміном.

Що видно на типових препаратах

• Шкірка цибулі: чіткі клітинні стінки, ядро, велика вакуоля; хлоропластів немає (цибулина росла в темряві).

• Листок елодеї: багато зелених хлоропластів, які рухаються вздовж стінок.

• Епітелій щоки людини: без клітинної стінки й пластид, з добре помітним ядром.

Світловий мікроскоп не дає змоги побачити найдрібніші структури клітини. Для цього потрібні інші методи — електронна мікроскопія та диференційне центрифугування. Розгляньмо їх детально.

Електронний мікроскоп: історія і принцип

Перший електронний мікроскоп створили 1931 року німецькі інженери Ернст Руска та Макс Кнолль. Замість світла він використовує пучок електронів, а скляні лінзи замінені на магнітні поля, які фокусують електронний пучок. Уся система працює у вакуумі, щоб електрони не стикалися з молекулами повітря.

Роздільна здатність електронного мікроскопа в сотні разів вища, ніж у світлового, — можна розрізнити структури розміром у кілька нанометрів. Це дало змогу побачити те, що раніше залишалося невидимим.

Два типи електронних мікроскопів

Що відкрила електронна мікроскопія

Завдяки електронній мікроскопії вчені змогли описати:

• тришарову будову клітинних мембран;

• рибосоми (20–30 нм);

• кристи мітохондрій;

• тилакоїди й грани хлоропластів;

• ендоплазматичну сітку (гранулярну та агранулярну);

• комплекс Гольджі (стопки сплющених цистерн);

• будову центріолей (9 триплетів мікротрубочок);

• будову джгутиків і війок (9 пар периферичних мікротрубочок і 2 центральні — формула 9 + 2);

• ядерні пори.

Обмеження електронної мікроскопії

• Препарат потрібно фіксувати, зневоднювати й поміщати у вакуум — спостерігати живу клітину неможливо.

• Зображення виходить чорно-білим; кольори на наукових знімках додають штучно за допомогою комп'ютерної обробки.

• Електронний мікроскоп дорогий і потребує складного обслуговування.

Диференційне центрифугування

Диференційне центрифугування — метод розділення органел за їхнім розміром, масою й густиною. Як це працює:

1. Клітини руйнують (гомогенізують) і отримують гомогенат — суміш усіх внутрішньоклітинних компонентів.

2. Гомогенат обертають у центрифузі з поступово зростаючою швидкістю.

3. Після кожного етапу осад (фракцію) відділяють і досліджують.

Послідовність осідання органел

Частинки осідають за принципом: найбільші й найважчі — першими, найдрібніші — останніми.

Отже, порядок осідання:

• 1. Ядра (найважчі);

• 2. Мітохондрії, хлоропласти, лізосоми;

• 3. Фрагменти ЕПС (дрібні мембранні пухирці — мікросоми);

• 4. Рибосоми (найлегші, осідають останніми).

Навіщо потрібне центрифугування

Диференційне центрифугування дає змогу виділити органели одного типу й вивчити їхні функції та хімічний склад окремо. Приклади:

• ізольовані мітохондрії поглинають кисень і синтезують АТФ;

• хлоропласти на світлі виділяють кисень;

• рибосоми синтезують білок у пробірці.

Саме завдяки диференційному центрифугуванню 1955 року Крістіан де Дюв відкрив лізосоми — органели, які містять гідролітичні ферменти.

Метод — що досліджує: зведення

Розв'яжімо кілька типових завдань НМТ на тему клітини як одиниці живого та методів її дослідження.

Приклад 1. Яку структуру видно у світловий мікроскоп?

Яку з перелічених структур клітини шкірки цибулі можна розгледіти у шкільний світловий мікроскоп за збільшення ×400?

• А) рибосоми

• Б) ядерні пори

• В) ядро

• Г) кристи мітохондрій

Розв'язання. Межа розрізнення світлового мікроскопа — близько 0,2 мкм (200 нм). Рибосоми мають розмір 20–30 нм, ядерні пори — близько 100 нм, кристи мітохондрій — менші за 0,2 мкм. Усі вони невидимі у світловий мікроскоп. Ядро клітини шкірки цибулі має розмір 10–20 мкм, тому воно добре помітне.

Відповідь: В) ядро.

Чому інші варіанти неправильні? Рибосоми, ядерні пори та кристи мітохондрій — дрібніші за межу розрізнення світлового мікроскопа, тому їх неможливо побачити незалежно від збільшення.

Приклад 2. Логічні пари: метод — що досліджує

Установи відповідність між методом дослідження клітин (1–4) і тим, що цей метод дозволяє вивчити (А–Д).

Розв'язання. Світлова мікроскопія дає змогу спостерігати живі клітини, зокрема їхній поділ (1 → А). Просвічувальний електронний мікроскоп показує внутрішню будову органел на ультратонких зрізах (2 → Б). Сканувальний електронний мікроскоп створює об'ємне зображення поверхні (3 → В). Диференційне центрифугування дозволяє виділити органели одного типу й вивчити їхні функції (4 → Г). Варіант Д (послідовність нуклеотидів ДНК) до жодного з методів не належить — її визначають методами молекулярної біології, а не мікроскопії чи центрифугування.

Відповідь: 1–А, 2–Б, 3–В, 4–Г.

Приклад 3. Що осяде першим під час центрифугування?

Гомогенат клітин печінки центрифугують, поступово збільшуючи швидкість. Яка фракція осяде першою?

• А) рибосоми

• Б) ядра

• В) мітохондрії

• Г) фрагменти ЕПС

Розв'язання. Під час диференційного центрифугування першими осідають найважчі й найбільші частинки. Ядра мають найбільшу масу й розміри серед усіх органел, тому вони осідають за найнижчої швидкості обертання. Мітохондрії осідають пізніше, фрагменти ЕПС — ще пізніше, а рибосоми — останніми.

Відповідь: Б) ядра.

Чому інші варіанти неправильні? Рибосоми осідають останніми, мітохондрії — на другому етапі, фрагменти ЕПС — на третьому.

Приклад 4. Два судження учнів

Оксана: «У світловий мікроскоп зі збільшенням ×1500 можна побачити рибосоми». Тарас: «На препараті шкірки цибулі у світловий мікроскоп видно ядро й клітинну стінку». Хто має рацію?

• А) лише Оксана

• Б) лише Тарас

• В) обидва

• Г) жоден

Розв'язання. Оксана помиляється: навіть за збільшення ×1500 рибосоми (20–30 нм) залишаються меншими за межу розрізнення світлового мікроскопа (0,2 мкм = 200 нм), тому їх побачити неможливо. Тарас має рацію: у світловий мікроскоп на препараті шкірки цибулі дійсно видно клітинні стінки та ядра.

Відповідь: Б) лише Тарас.

Приклад 5. Обчислення збільшення мікроскопа

Окуляр мікроскопа має збільшення ×15, а об'єктив — ×40. Яке загальне збільшення дає цей мікроскоп?

• А) ×55

• Б) ×150

• В) ×600

• Г) ×6000

Розв'язання. Збільшення мікроскопа обчислюють як добуток збільшень окуляра й об'єктива: 15 × 40 = 600. Додавати ці числа не можна (15 + 40 = 55 — помилка). Збільшення ×150 і ×6000 не мають математичного обґрунтування.

Відповідь: В) ×600.

• Помилка: вважають, що рибосоми, будову мембрани чи кристи мітохондрій можна побачити у світловий мікроскоп.

• Правильно: усі ці структури менші за межу розрізнення світлового мікроскопа (0,2 мкм = 200 нм). Рибосоми мають розмір 20–30 нм, товщина мембрани — 7–10 нм — їх видно лише в електронний мікроскоп.

• Помилка: думають, що в електронний мікроскоп можна спостерігати живі клітини.

• Правильно: препарат для електронної мікроскопії обов'язково фіксують, зневоднюють і досліджують у вакуумі. Живу клітину спостерігати неможливо — на відміну від світлової мікроскопії.

• Помилка: додають збільшення окуляра й об'єктива замість того, щоб перемножити їх.

• Правильно: збільшення мікроскопа = збільшення окуляра × збільшення об'єктива. Наприклад, окуляр ×10 і об'єктив ×40 дають ×400, а не ×50.

• Помилка: плутають збільшення з роздільною здатністю.

• Правильно: збільшення — у скільки разів зображення більше за об'єкт. Роздільна здатність (межа розрізнення) — найменша відстань між двома точками, які видно окремо. Просто збільшивши зображення, не побачиш дрібніших деталей.

• Помилка: вважають, що під час центрифугування першими осідають найдрібніші частинки.

• Правильно: першими осідають найбільші й найважчі структури — ядра. Далі — мітохондрії, хлоропласти й лізосоми, потім фрагменти ЕПС, а найлегші рибосоми — останніми.

• Помилка: вважають органелу (наприклад, мітохондрію чи рибосому) найменшою одиницею живого, тому що вона має власну функцію.

• Правильно: поза клітиною органели не живуть і не відтворюються. Вони можуть виконувати свою функцію лише в цілісній клітині. Найменшою одиницею живого є клітина, а не її компоненти.

Тема «Клітина як елементарна одиниця живого; методи дослідження клітин» відповідає темі 1.3 програми НМТ з біології. Що саме перевіряють?

Формат завдань

Що перевіряють

• Клітина як елементарна одиниця живого: структурна, функціональна, генетична.

• Методи дослідження клітин: світлова й електронна мікроскопія, диференційне центрифугування.

• Уміння візуально розпізнавати клітини рослин і тварин та їхні компоненти на мікрофотографіях.

Робота з рисунками

У демоваріанті НМТ-2026 рисунок, схема чи фото є в 15 завданнях із 30. Для нашої теми це означає, що на НМТ тобі можуть показати мікрофотографію клітини й попросити визначити:

• який тип мікроскопа використано (світловий чи електронний);

• яку клітину зображено (рослинну, тваринну);

• які структури позначено на знімку.

Стратегія для НМТ

На мікрофотографії спершу визнач, світловий це чи електронний знімок. Якщо видно деталі, менші за 0,2 мкм (рибосоми, мембрани, кристи), — це електронна мікроскопія. Якщо видно лише клітини, ядра, стінки, хлоропласти — це світлова мікроскопія.

• Клітина — найменша структурна, функціональна й генетична одиниця живого. Нові клітини виникають лише поділом материнської (принцип Вірхова).

• Еукаріотична клітина складається з трьох обов'язкових частин: поверхневого апарата (мембрана + надмембранні структури), цитоплазми (гіалоплазма, органели, включення, цитоскелет) і ядра (хроматин, ядерце, каріоплазма).

• Внутрішні мембрани ділять клітину на компартменти, що дає змогу одночасно й незалежно проводити навіть протилежні процеси (синтез і розщеплення).

• Світловий мікроскоп: межа розрізнення ≈ 0,2 мкм (200 нм). Збільшення = окуляр × об'єктив. Можна вивчати живі клітини, бачити ядро, хлоропласти, клітинну стінку, вакуолю, хромосоми.

• Електронний мікроскоп дає змогу побачити мембрани, рибосоми, кристи мітохондрій, тилакоїди, ЕПС, комплекс Гольджі, ядерні пори — але лише на фіксованих препаратах у вакуумі.

• Диференційне центрифугування: ядра осідають першими (найважчі), далі — мітохондрії, хлоропласти й лізосоми, потім фрагменти ЕПС, останніми — рибосоми. Метод дає змогу вивчити функції та хімічний склад окремих типів органел.

• Органели не є живими одиницями — поза клітиною вони не здатні до самостійного існування, росту чи розмноження.