Изучением клетки — основополагающего «кирпичика» любой ткани, органа и формирующегося из них организма, занимается специальная наука — цитология. Это направление биологии, разрабатывающее подходы к исследованию структуры, жизнедеятельности и биохимических процессов, происходящих в процессе клеточного развития. Цитология имеет свой перечень способов «углубиться в недра мини-мира», представленный таблицами по методам изучения клетки.
Первые приборы и попытки разобраться
Клетки — это мельчайшие частички, составляющие фундамент, на котором постепенно строится и развивается организм всех форм жизни: растений, животных, человека. До XVII века люди даже не подозревали об их существовании, и открытие каких-то непонятных структур настолько ошеломило ученых того времени, что они начали активно развивать и совершенствовать методы изучения жизнедеятельности клетки.
Первоначально необычное строение предметов заметил рабочий по шлифованию стекла в Голландии Янсен в конце XVI века. Он соединил между собой пару линз для литья очков, получив значительное увеличение, и рассмотрел, что поверхность и срезы окружающих его предметов неоднородны. Но это изобретение не позволяло подробно изучить, что же это за маленькие составляющие.
Ученые того времени кратко набросали план усовершенствования новых аппаратов, и в настоящее время благодаря технологиям разработаны множество микроскопов со своими достоинствами, но стандартный, «школьный» микроскоп всё ещё применяется в некоторых сферах человеческой жизни, в том числе и для знакомства учащихся с микромиром.
Классификация методов цитологии
Наука не стоит на месте, и интерес учёных и врачей к теме внутреннего устройства «живых ячеек» постоянно побуждал специалистов разных профессий изучать и разрабатывать новые методы.
Это позволило выделить классы современных аппаратов, способных максимально точно передать информацию, что же содержится внутри, и даже воссоздавать объёмные 3D-конструкции, имитируя живые клетки.
В цитологии чаще всего используют следующие способы «внедрения в недоступное»:
- микроскопия (существуют несколько подвидов: световая, электронная, темнопольная, фазово-контрастная, флуоресцентная),
- центрифугирование (разделение клеток на отдельные компоненты),
- авторадиографический метод (органеллы обрабатывают специальными радиоизотопными веществами),
- культурирование (выращивание культур клеток),
- микрохирургия.
Каждый день во многих лабораториях стараются получить все более новые и точные данные, но все они основываются на этих фундаментальных методах и их избирательной способности выявлять биохимические процессы, определять химический состав и клеточный обмен в целом.
Микроскоп — «глазок в тайное»
Микроскоп — совокупность линз, расположенных в определенном порядке, которая позволяет приблизить и более-менее четко разглядеть клеточные границы и органоиды. Составные элементы:
- окуляр (самая первая, в которую смотрит человек),
- тубус (трубка, соединяющая окуляр с объективом),
- объектив (несколько линз собирают поступающий свет в одну точку),
- штатив, который держит на себе предметный столик для расположения и просмотра стекол,
- комплекс «света» — лампы и конденсор (он собирает свет от ламп),
- большой и малый винты (макро- и микровинт) для регулировки четкости и близости изображения.
Микроскопия — оптимальный метод изучить базовое клеточное строение, достаточное для понимания, как устроены живые организмы, но есть одно «но»: органоиды трудно увидеть без подготовки изучаемого материала, поэтому перед таким исследованием (особенно при световом способе) следует провести ряд этапов:
- Сначала зафиксировать клетки на стекле, чтобы они не передвигались во время просмотра в микроскоп. Для этого применяют различные растворы-фиксаторы или нагревание над пламенем горелки.
- После фиксации материал нужно покрасить с применением основных и кислотных красителей (каждый клеточный компонент воспринимает «свой» цвет — синий, розовый или смешанный, сероватый).
- При других формах микроскопии могут понадобиться дополнительные меры: заливка парафином, создание вакуума, быстрое замораживание в жидком азоте и др.
Действующие доктора медицинских наук (Свитнев, Островский) и ученые не могут обойтись без этого «золотого стандарта» в диагностике заболеваний, и, несмотря на обилие современных методик, микроскопия никогда не потеряет актуальности.
Дифференциальная таблица характеристик микроскопии
| Вид микроскопии | Световая | Электронная | Фазово-контрастная | Темнопольная | Флуоресцентная |
|---|---|---|---|---|---|
| Принцип | Исследуемый объект должен хорошо просвечиваться. Свет от ламп снизу с помощью конденсора проходит через стекло с материалом и собирается в пучок на объективе. Там он увеличивается в размере и идет к окуляру. Изображение должно быть контрастным и с чёткими границами, за это отвечают разрешающая способность и контрасность микроскопа. | Вместо пучка света, используют электроны в вакууме, которые собирают и направляют в один ряд уже не линзы, а электромагнитные поля. Полученное изображение фотографируют на специальном экране и проявляют, в результате изображение выглядит объёмным и в нём отчетливо видны мелкие особенности (изгибы, клеточные бугорки). Существуют варианты просвечивающей (вместе с потоком света) и сканирующей электронной микроскопии (электроны «танцуют» вдоль препарата и, отражаясь от органелл, образуют изображение). | В конденсоре имеется кольцо, через которое проходит только часть света, а остальной поглощается. Между ним и объективом находится диск, благодаря которому можно различить границы неокрашенных органоидов. Это позволяет исследовать живые клетки. | В конденсоре кольцо темное, препятствующее прохождению света по центру (препарат освещается косо). В окуляре видны только части клетки, от которых отразились эти пучки. Это увеличивает контраст ранее невидимых структур. | Стекло с материалом обрабатывается веществами, вызывающими свечение (флюорохромы), которое и видно в такой микроскоп. Используется для исследования живых клеток. |
| Применение | В школе на уроках биологии, в микробиологии (изучение строения и особенностей бактерий, грибов). | Патологическая анатомия, гистология. Исследуют только неживые клетки. | Репродуктивные технологии (оценка подвижности сперматозоидов), микробиология (подвижность бактерий). | Генетические центры (обнаружение наследственных дефектов хромосом). | Микробиология (изучение подвижности микробов). |
Современные сообщения об изучении микромира
Таблица «Новые методики в микробиологии»
| Метод | Центрифугирование | Авторадиография | Культурирование | Микрохирургия |
|---|---|---|---|---|
| Как это работает | В центрифуге, вращающейся с очень большой скоростью (от 1 тыс. оборотов в секунду), органоиды предварительно разрушенных ультразвуком клеток оседают в зависимости от их плотности. Одним требуется большая скорость (рибосомы, митохондрии), другим меньшая (ядро). В таких осевших органеллах возможно определение биохимической активности. | Действует по принципу рентгена: клетки обрабатывают раствором с изотопами, содержащими метку. В процессе клеточного метаболизма они поглощаются и распределяются внутри клетки. Материал при этом расположен на плёнке, и в местах накопления изотопов она темнеет. | В специальной среде полученную селекцией клетку выращивают до монослоя (один ряд) с помощью ростовых факторов, затем концентрацию питательных веществ снижают, чтобы поддерживать жизнь клеток, но прекратить их рост. Существуют культуры с ограниченной возможностью делиться (20−40 раз) и «вечные», полученные из опухолевой клетки. | С помощью мельчайших инструментов можно осуществить мини-операции в клетке (исправление дефектов хромосом, пересадка ядер и др.). |
| Зачем используется | Применяется в лабораторной диагностике (разрушение эритроцитов для определения уровня гемоглобина). | В биологии (изучение фотосинтеза), в медицине (диагностика опухолей). | Диагностика бактериальных и вирусных инфекций, генетический контроль наследственных заболеваний. | Активное применение метод нашёл в генетике и клеточных технологиях. |
Лаборатории непрестанно создают новые методы исследования для улучшения диагностики заболеваний, и современные методики нашли применение во многих сферах (генная инженерия, клеточные технологии). Это позволило приумножить знания о развитии всего живого и научиться влиять на жизненные процессы (и даже управлять ими), что в первую очередь сказывается на развитии медицины и здоровье людей.