"Биология (базовый уровень)", Каменский А.А., Касперская Е.К., Сивоглазов В.И.
Клетка — наименьшая живая система и основа строения любого клеточного организма. Из клеток состоят ткани и органы, а внутри клеток идут обмен веществ, получение энергии, синтез веществ, рост и размножение. Цитология изучает строение и жизнедеятельность клеток. Клеточная теория объясняет единство живого, а микроскопия и другие методы помогают исследовать клетку от общей формы до тонкого строения органоидов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Клетка — структурная и функциональная единица организма, наименьшая живая система, способная к основным процессам жизнедеятельности. Структурной её называют потому, что из клеток построены ткани и органы. Функциональная роль связана с тем, что именно в клетках идут обмен веществ, получение энергии и другие жизненные процессы.
Цитология — раздел биологии, изучающий строение, жизнедеятельность, размножение и развитие клеток. Она помогает понять, как устроены клеточные структуры и как они работают. Знания цитологии нужны для изучения наследственности, болезней, развития организмов и действия лекарств.
Клеточная теория — система положений о клеточном строении организмов, единстве клеток и происхождении новых клеток. Она объединяет разрозненные наблюдения в общее научное объяснение. Благодаря ей клетку рассматривают как основу строения и жизнедеятельности всех клеточных организмов.
Микроскопия — совокупность методов изучения объектов, размеры которых невозможно рассмотреть невооружённым глазом. Она включает работу со световыми и электронными микроскопами, а также подготовку образцов. Выбор метода зависит от того, нужно ли увидеть общую форму клетки или детали её ультраструктуры.
Клетку считают структурной единицей, потому что многоклеточный организм складывается из клеток, объединённых в ткани и органы. Клетки образуют основу этих уровней организации, а их расположение и связи определяют строение тела. Поэтому повреждение клеток может нарушать работу целой ткани или органа.
Клетка является функциональной единицей, поскольку главные процессы жизни происходят внутри неё. Здесь вещества поступают и превращаются, энергия высвобождается, синтезируются белки, клетка растёт и делится. Даже если орган выполняет сложную задачу, она складывается из согласованной работы множества клеток.
Представления о клетке развивались вместе с техникой наблюдений. Гук в 1665 году увидел ячейки пробки, Левенгук позднее наблюдал живые клетки и микроорганизмы, а Броун в 1831 году описал ядро. Накопленные факты позволили Шлейдену и Шванну сформулировать клеточную теорию, которую Вирхов дополнил положением о происхождении каждой новой клетки из предшествующей.
Клеточная теория объясняет единство живого общим планом организации. Клетки имеют сходный химический состав, окружены мембраной, используют энергию и хранят наследственную информацию. При этом общий план не означает полного сходства: клетки могут специализироваться и выполнять разные функции.
Одного метода для изучения клетки недостаточно, потому что разные задачи требуют разной детализации. Световая микроскопия показывает форму и крупные структуры, электронная раскрывает ультраструктуру, окрашивание делает отдельные компоненты заметнее. Центрифугирование разделяет клеточные части по свойствам, а культивирование позволяет наблюдать жизнедеятельность клеток вне организма.
| Метод | Что позволяет изучить | Принцип или оборудование | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|---|
| Световая микроскопия | Общую форму, размеры, крупные структуры и движение живых клеток | Световой микроскоп, линзы и видимый свет | Можно изучать живые клетки; метод сравнительно прост | Ограниченное увеличение и разрешение; мелкие детали не видны |
| Электронная микроскопия | Ультраструктуру мембран, органоидов и вирусных частиц | Пучок электронов и электромагнитные линзы | Очень высокое увеличение и разрешение | Сложная подготовка; обычно нельзя наблюдать живые клетки |
| Окрашивание клеток и препаратов | Расположение и состав отдельных структур | Красители избирательно связываются с компонентами клетки | Повышает контраст и облегчает сравнение частей | Некоторые красители изменяют или повреждают клетку |
| Центрифугирование и фракционирование | Состав клеточных частей и свойства органоидов | Разделение измельчённой клетки в центрифуге по плотности и размеру | Позволяет получить фракции для отдельного анализа | Структуры могут смешиваться или повреждаться |
| Культивирование клеток | Рост, деление, обмен веществ и реакцию клеток | Выращивание клеток на питательной среде вне организма | Можно контролировать условия и проводить длительные наблюдения | Условия отличаются от естественных; не все клетки удаётся выращивать |
Пользоваться таблицей нужно от цели исследования: сначала определить, что именно требуется увидеть или измерить, а затем выбрать метод. Для общей картины подойдёт световая микроскопия, для тонких деталей — электронная. Если нужно изучить состав или поведение клеток, применяют дополнительные методы.
Задача 1. Выберите положения клеточной теории: организм состоит из клеток; клетка является единицей строения и жизнедеятельности; новые клетки возникают из предшествующих клеток. Нужно отличить общие положения теории от частных сведений об органоидах или химическом составе. Все три предложенных утверждения относятся к клеточной теории.
Ответ: верны все три положения: организмы состоят из клеток, клетка — единица строения и жизнедеятельности, новые клетки возникают из ранее существовавших.
Задача 2. Расположите события: открытие клеток пробки Гуком, наблюдение микроорганизмов Левенгуком, открытие ядра Броуном, создание клеточной теории Шлейденом и Шванном. Порядок определяем по времени, сопоставляя учёных и даты их работ. Сначала появились наблюдения простых структур, затем — сведения о живых клетках и их внутренних частях, а после этого возникло обобщение.
Ответ: Гук → Левенгук → Броун → Шлейден и Шванн.
Задача 3. Нужно сравнить общую форму живых клеток, рассмотреть ультраструктуру митохондрий и разделить органоиды по плотности. Каждая цель связана с разным уровнем исследования, поэтому один прибор для всех действий не подходит.
Ответ: световая микроскопия; электронная микроскопия; центрифугирование соответственно.
Ошибка: считать клетку самой маленькой частью любого организма. Так рассуждают, забывая о вирусах, которые не имеют клеточного строения, и о специализированных клетках, не выполняющих самостоятельно все функции. Проверка: уточните, идёт ли речь о клеточном организме и способна ли клетка самостоятельно поддерживать жизнедеятельность.
Ошибка: приписывать Гуку открытие живых клеток. Он описал ячейки клеточной стенки пробки, тогда как живые клетки и микроорганизмы наблюдал Левенгук. Проверка: свяжите Гука с пробкой и Левенгука с микроорганизмами.
Ошибка: считать, что клеточная теория утверждает одинаковость всех клеток. Общими являются план строения и основные процессы, но форма, строение и функции клеток различаются. Проверка: сравните, например, нервную и мышечную клетки и найдите одновременно сходство и специализацию.
Ошибка: рассматривать электронный микроскоп как простой прибор для наблюдения живых клеток. Образцы обычно фиксируют и обезвоживают, поэтому клетка не сохраняет обычные жизненные условия. Проверка: спросите себя, требуется ли для метода сложная подготовка и может ли образец оставаться живым.
До изучения темы нужны знания о признаках живого и уровнях организации организма. Также пригодятся представления о клеточном строении растений и животных из ботаники и зоологии. Они помогают понять, почему клетка занимает особое место среди уровней организации.
Тема служит основой для изучения строения клетки и функций органоидов. Далее на неё опираются при разборе клеточного цикла, митоза и мейоза. Без представления о клетке трудно объяснить рост, развитие и размножение организмов.
Методы цитологии применяют в генетике, медицине, биотехнологии и систематике организмов. С их помощью исследуют наследственный материал, диагностируют заболевания, выращивают клетки и сравнивают строение организмов. Поэтому цитология связывает фундаментальную биологию с практическими задачами.
Почему вирусы не относят к клеточным организмам?
У вирусов нет клеточного строения: они состоят из генетического материала и белковой оболочки. Самостоятельный обмен веществ и размножение вирусы осуществляют только внутри клетки хозяина.
Кто первым увидел клетку?
В 1665 году Роберт Гук рассмотрел под микроскопом пробку и описал в ней пустые ячейки, назвав их клетками. Живые клетки и микроорганизмы позднее наблюдал Антони ван Левенгук.
В чём различие между увеличением и разрешающей способностью микроскопа?
Увеличение показывает, во сколько раз прибор делает изображение крупнее. Разрешающая способность показывает, насколько близко расположенные детали можно увидеть раздельно; именно она определяет качество различения объектов.
Почему клеточную теорию считают доказательством единства живой природы?
Клетки разных организмов имеют общий план строения, сходный химический состав и похожие основные процессы жизнедеятельности. Это показывает, что всё клеточное живое связано общими закономерностями.
Можно ли изучать живые клетки с помощью электронного микроскопа?
Обычно нельзя наблюдать живую клетку в электронном микроскопе в обычных условиях. Подготовка образца включает фиксацию, обезвоживание и другие процедуры, поэтому клетка погибает или сильно изменяется.
§ 7. Клетка — структурная и функциональная единица организма. Основные этапы развития цитологии. Клеточная теория. Методы изучения клетки
