Типы клеточной организации

Устройство микроскопа

Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для исследования увеличенных изображений микрообъектов, которые невидны невооруженным глазом.

Основными частями светового микроскопа (рис. 1) являются объектив и окуляр, заключенные в цилиндрический корпус – тубус. Большинство моделей, предназначенных для биологических исследований, имеют в комплекте три объектива с разными фокусными расстояниями и поворотный механизм, предназначенный для их быстрой смены – турель, часто называемую револьверной головкой. Тубус располагается на верхней части массивного штатива, включающего тубусодержатель. Чуть ниже объектива (или турели с несколькими объективами) находится предметный столик, на который устанавливаются предметные стекла с исследуемыми образцами. Резкость регулируется с помощью винта грубой и точной настройки, который позволяет изменять положение предметного столика относительно объектива.

Рис. 1

1. Окуляр 2. Тубус 3. Держатель 4. Винт грубой фокусировки 5. Винт точной (микрометренной) фокусировки 6. Револьверная головка 7. Объектив 8. Предметный столик

Для того чтобы исследуемый образец имел достаточную для комфортного наблюдения яркость, микроскопы снабжаются еще двумя оптическими блоками (рис. 2) – осветителем и конденсором. Осветитель создает поток света, освещающий исследуемый препарат. В классических световых микроскопах конструкция осветителя (встроенного или внешнего) предполагает низковольтную лампу с толстой нитью накала, собирающую линзу и диафрагму, изменяющую диаметр светового пятна на образце. Конденсор, представляющий собой собирающую линзу, предназначен для фокусировки лучей осветителя на образце. Конденсор также имеет ирисовую диафрагму (полевую и апертурную), с помощью которой регулируется интенсивность освещения.

При работе с пропускающими свет объектами (жидкостями, тонкими срезами растений и т. п.), их освещают проходящим светом – осветитель и конденсор располагаются под предметным столиком. Непрозрачные же образцы нужно освещать спереди. Для этого осветитель располагают над предметным столиком, и его лучи с помощью полупрозрачного зеркала направляются на объект через объектив.

Осветитель может быть пассивным, активным (лампа) или состоять из обоих элементов. Самые простые микроскопы не имеют ламп для подсветки образцов. Под столиком у них располагается двустороннее зеркало, у которого одна сторона плоская, а другая – вогнутая. При дневном освещении, если микроскоп стоит у окна, получить довольно неплохое освещение можно при помощи вогнутого зеркала. Если же микроскоп находится в темном помещении, для подсветки используются плоское зеркало и внешний осветитель.

Увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива и окуляра. При увеличении окуляра равном 10 и увеличении объектива равном 40 общий коэффициент увеличения равен 400. Обычно в комплект исследовательского микроскопа входят объективы с увеличением от 4 до 100. Типичный комплект объективов микроскопа для любительских и учебных исследований (х 4, х10 и х 40), обеспечивает увеличение от 40 до 400.

Разрешающая способность – другая важнейшая характеристика микроскопа, определяющая его качество и четкость формируемого им изображения. Чем больше разрешающая способность, тем больше мелких деталей можно рассмотреть при сильном увеличении. В связи с разрешающей способностью говорят о «полезном» и «бесполезном» увеличении. «Полезным» называется предельное увеличение, при котором обеспечивается максимальная деталировка изображения. Дальнейшее увеличение («бесполезное») не поддерживается разрешающей способностью микроскопа и не выявляет новых деталей, зато может негативно повлиять на четкость и контраст изображения. Таким образом, предел полезного увеличения светового микроскопа ограничивается не общим коэффициентом увеличения объектива и окуляра - его при желании можно сделать сколь угодно большим, - а качеством оптических компонентов микроскопа, то есть, разрешающей способностью.

Рис. 2

1. Осветитель 2. Ирисовая полевая диафрагма 3. Зеркало 4. Ирисовая апертурная диафрагма 5. Конденсор 6. Препарат 6'. Увеличенное действительное промежуточное изображение препарата, образуемое объективом 6''. Увеличенное мнимое окончательное изображение препарата, наблюдаемое в окуляре 7. Объектив 8. Окуляр

Микроскоп включает в себя три основные функциональные части:

1. Осветительная часть
Предназначена для создания светового потока, который позволяет осветить объект таким образом, чтобы последующие части микроскопа предельно точно выполняли свои функции. Осветительная часть микроскопа проходящего света расположена за объектом под объективом в прямых микроскопах и перед объектом над объективом в инвертированных.
Осветительная часть включает источник света (лампа и электрический блок питания) и оптико-механическую систему (коллектор, конденсор, полевая и апертурная регулируемые/ирисовые диафрагмы).

2. Воспроизводящая часть
Предназначена для воспроизведения объекта в плоскости изображения с требуемым для исследования качеством изображения и увеличения (т.е. для построения такого изображения, которое как можно точнее и во всех деталях воспроизводило бы объект с соответствующим оптике микроскопа разрешением, увеличением, контрастом и цветопередачей).
Воспроизводящая часть обеспечивает первую ступень увеличения и расположена после объекта до плоскости изображения микроскопа. Воспроизводящая часть включает объектив и промежуточную оптическую систему.
Современные микроскопы последнего поколения базируются на оптических системах объективов, скорректированных на бесконечность.
Это требует дополнительно применения так называемых тубусных систем, которые параллельные пучки света, выходящие из объектива, «собирают» в плоскости изображения микроскопа.

3. Визуализирующая часть
Предназначена для получения реального изображения объекта на сетчатке глаза, фотопленке или пластинке, на экране телевизионного или компьютерного монитора с дополнительным увеличением (вторая ступень увеличения).

Визуализирующая часть расположена между плоскостью изображения объектива и глазами наблюдателя (камерой, фотокамерой).
Визуализирующая часть включает монокулярную, бинокулярную или тринокулярную визуальную насадку с наблюдательной системой (окулярами, которые работают как лупа).
Кроме того, к этой части относятся системы дополнительного увеличения (системы оптовара/смены увеличения); проекционные насадки, в том числе дискуссионные для двух и более наблюдателей; рисовальные аппараты; системы анализа и документирования изображения с соответствующими согласующими элементами (фотоканал).

Клеточная теория — важнейшее биологическое обобщение, согласно которому все живые организмы состоят из клеток. Изучение клеток стало возможным после изобретения микроскопа. Впервые клеточное строение у растений (срез пробки) обнаружил английский ученый, физик Р. Гук, он же предложил термин «клетка» (1665 г.). Голландский ученый Антони ван Левенгук впервые описал эритроциты позвоночных, сперматозоиды, разнообразные микроструктуры растительных и животных клеток, различные одноклеточные организмы, в том числе бактерии и пр.

В 1831 г. англичанин Р. Броун обнаружил в клетках ядро. В 1838 г. немецкий ботаник М. Шлейден пришел к выводу, что ткани растений состоят из клеток. Немецкий зоолог Т. Шванн показал, что из клеток состоят и ткани животных. В 1839 г. вышла книга Т. Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», в которой он доказывает, что клетки, содержащие ядра, представляют собой структурную и функциональную основу всех живых существ. Основные положения клеточной теории Т. Шванна можно сформулировать следующим образом.

1. Клетка — элементарная структурная единица строения всех живых существ.

2. Клетки растений и животных самостоятельны, гомологичны друг другу по происхождению и структуре.

М. Шдейден и Т. Шванн ошибочно считали, что главная роль в клетке принадлежит оболочке и новые клетки образуются из межклеточного бесструктурного вещества. В дальнейшем в клеточную теорию были внесены уточнения и дополнения, сделанные другими учеными.

Еще в 1827 г. академик Российской АН К.М. Бэр, открыв яйцеклетки млекопитающих, установил, что все организмы начинают свое развитие с одной клетки, представляющей собой оплодотворенное яйцо. Это открытие показало, что клетка является не только единицей строения, но и единицей развития всех живых организмов.

В 1855 г. немецкий врач Р. Вирхов приходит к выводу, что клетка может возникнуть только из предшествующей клетки путем ее деления.

На современном уровне развития биологии основные положения клеточной теории можно представить следующим образом.

1. Клетка — элементарная живая система, единица строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития организмов.

2. Клетки всех живых организмов сходны по строению и химическому составу.

3. Новые клетки возникают только путем деления ранее существовавших клеток.

4. Клеточное строение организмов — доказательство единства происхождения всего живого.

Типы клеточной организации

Выделяют два типа клеточной организации: 1) прокариотический, 2) эукариотический. Общим для клеток обоих типов является то, что клетки ограничены оболочкой, внутреннее содержимое представлено цитоплазмой. В цитоплазме находятся органоиды и включения. Органоиды — постоянные, обязательно присутствующие, компоненты клетки, выполняющие специфические функции. Органоиды могут быть ограничены одной или двумя мембранами (мембранные органоиды) или не ограничены мембранами (немембранные органоиды). Включения — непостоянные компоненты клетки, представляющие собой отложения веществ, временно выведенных из обмена или конечных его продуктов.

СТРОЕНИЕ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ

Эукариотическая клетка имеет сложное строение. Она состоит из трех частей: плазматической мембраны, цитоплазмы с органоидами и ядра. Строение плазма­тической мембраны мы рассмотрели. Познакомимся те­перь с другими структурами клетки.

Мембранные органоиды. Мембранные органоиды клетки могут иметь одну или две мембраны. К одномембранным органоидам относят эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи и лизосомы.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) представляет собой замкнутую систему многочисленных канальцев, цис­терн, которые пронизывают всю цитоплазму. ЭПС раз­деляет клетку на отдельные отсеки, обеспечивает сооб­щение между частями клетки и транспорт веществ. Раз­личают гладкую и гранулярную эндоплазматическую сеть. На гладкой ЭПС происходит синтез липидов и по­лисахаридов, например, синтез гликогена в животных клетках. На гранулярной ЭПС располагаются рибосомы, где происходит биосинтез белков. Синтезируемые веще­ства транспортируются по каналам ЭПС во всей клетке.

Непосредственно с ЭПС связана другая структура — аппарат Гольджи. Он образован стопками уплощенных дисков и пузырьков. Здесь происходит накопление синтезируемых веществ, их упаковка и вынос из клет­ки. Аппарат Гольджи хорошо развит в клетках раз­личных желез.

Из пузырьков аппарата Гольджи формируются лизо­сомы (от греч. лизео — растворяю). Эти мембранные пу­зырьки заполнены пищеварительными ферментами, ко­торые расщепляют поступающие в клетку органические вещества (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кисло­ты). Лизосомы встречаются во всех клетках растений, грибов и животных. Они обеспечивают дополнитель­ным «сырьем» различные жизненные процессы в клет­ке. При голодании лизосомы переваривают и некоторые органоиды, не убивая клетку. Такое частичное перева­ривание дает клетке ненадолго некоторое количество пи­тательных веществ. Иногда лизосомы переваривают целые группы клеток, ткани — когда это необходимо в развитии животных, например, утрата хвоста у голо­вастика в процессе превращения его в лягушку.

К двумембранным органоидам клетки относят мито­хондрии и хлоропласты. Они имеют свои собственные молекулы ДНК, способны, независимо от ядра клетки, к биосинтезу белка и делению. Эти органоиды выполня­ют одну из наиболее значимых функций — они преобра­зуют энергию в формы, которые могут быть использова­ны для реакций жизнедеятельности клетки.

Митохондрии (от греч. митос — нить и хондрион — зернышко, крупинка) характерны для всех клеток эукариот. Они достаточно велики, поэтому их можно увидеть в световой микроскоп. Митохондрии имеют про­долговатую форму. Наружная мембрана у них гладкая, а внутренняя — складчатая. Митохондрии называют энергетическими станциями клетки. В процессе дыха­ния в них происходит окончательное окисление орга­нических веществ кислородом воздуха. Выделяющаяся в этом процессе энергия запасается в синтезируемых в митохондриях молекулах АТФ.

Хлоропласты (от греч. хлорос — зеленый и пластос — вылепленный) в отличие от митохондрий характерны только для растительных клеток, но встречаются и у не­которых простейших, например у эвглены зеленой. С этими органоидами связан процесс фотосин­теза. Хлоропласты несколько крупнее митохондрий и также хорошо видны в световой микроскоп. Форма хлоропластов двояковыпуклая. Внутри имеются многочис­ленные мембраны, на которых идет процесс фотосинте­за. Там же располагается пигмент хлорофилл, придаю­щий хлоропластам зеленый цвет.

Кроме хлоропластов в растительных клетках есть лей­копласты и хромопласты. Хромопласты (от греч. хро­ма — цвет и пластос — вылепленный) содержат крас­ный, оранжевый и желтый пигменты. Лейкопласты (от греч. леукос — белый и пластос — вылепленный) пигментов не содержат. Они находятся в неокрашенных частях растений. В лейкопластах запасаются питатель­ные вещества.

Кроме хлоропластов, хромопластов и лейкопластах в растительных клетках имеются еще вакуоли (от лат. вакуус — пустой). Это одномембранные пузырьки, запол­ненные клеточным соком. В клеточном соке рас­творены сахар, пигменты, минеральные соли и органичес­кие кислоты. В молодых растительных клетках вакуоли мелкие и их много. По мере роста несколько вакуолей сливаются вместе, и образуется одна большая.

Немембранные органоиды. Кроме мембранных струк­тур в клетке имеются различные немембранные органоиды.

Рибосомы — очень мелкие тельца грибовидной формы, состоящие из двух половинок – субъединиц, в которых происходит биосинтез белка. Рибосо­ма состоит из рибосомальной РНК и белков. Часть рибо­сом находится на гранулярной ЭПС. Другие рибосомы, так называемые свободные, находятся в цитоплазме.

Во всех эукариотических клетках имеются полые цилинд­рические структуры — микротрубочки. Они состоят из белков. Из микротрубочек формируются некоторые ор­ганоиды, например, клеточный центр.

Клеточный центр обычно располагается вблизи яд­ра и состоит из двух перпендикулярно расположенных центриолей и центросферы. Центриоли (от лат. цент­ру м — середина) — небольшие цилиндрические органои­ды, стенки которых образованы микротрубочками. Центросфера состоит из одиночных микротру­бочек, образующих ореол вокруг центриолей. Кле­точный центр принимает участие в делении клетки, из его микротрубочек образуются нити веретена деле­ния, обеспечивающего равномерное распределение хро­мосом в дочерних клетках. Клеточный центр встречает­ся в клетках животных и низших растений.

Органоиды движения клетки — реснички и жгути­ки. Они характерны, в основном, для одноклеточных ор­ганизмов, но имеются и у некоторых клеток многокле­точных организмов, например, в ресничном эпителии. Реснички и жгутики представляют собой выросты цито­плазмы, окруженные плазматической мембраной. Внут­ри выростов находятся микротрубочки, сокращения ко­торых приводят клетку в движение.

Кроме органоидов в цитоплазме клетки могут нахо­диться и различные включения, которые не относятся к постоянным клеточным структурам, а образуются вре­менно, например капли масла, крахмальные зерна.

Ядро. Регуляторным центром клетки служит ядро. Оно отделено от цитоплазмы двойной мембранной ядерной оболочкой. В ядерной оболочке имеются ядерные поры. Через них осуществляется связь между ор­ганоидами цитоплазмы и ядром.

Внутри ядро заполнено ядерным соком, в которой на­ходятся молекулы ДНК. В ядре они не различимы, так как имеют вид тонких нитей. В ядре также можно увидеть од­но или несколько темных округлых образований — ядрыш­ки. В них происходит сборка рибосом.

Ядро регулирует все процессы жизнедеятельности клетки, обеспечивает передачу наследственной инфор­мации. Здесь происходит редупликация ДНК, синтез РНК, сборка рибосом. Ядро характерно для всех клеток эукариот, за исключением специализированных, напри­мер, зрелых эритроцитов.

Все три основные группы организмов - животные, растения и грибы - являются эукариотами. Однако строение их клеток неодинаково. Эти различия наряду с особенностями питания легли в основу деления надцарства эукариот на три царства.

Животная клетка не имеет плотной клеточной стенки. В ней отсутствуют вакуоли, характерные для растений и некоторых грибов. В качестве резервного энергетического вещества обычно накапливается полисахарид гликоген. Большинство клеток растений и грибов, подобно клеткам прокариот, окружено твердой клеточной оболочкой, или стенкой. Однако химический их состав различен. В то время как основой стенки растительной клетки является полисахарид целлюлоза, грибная клетка окружена стенкой, в значительной части состоящей из азотсодержащего полимера хитина.

Клетки растений всегда содержат пластиды, в то время как у животных и грибов пластид нет. Резервным веществом у большинства растений служит полисахарид крахмал, а у основной массы грибов, как и у животных, - гликоген.