Методи за изследване на клетъчната активност. биология

Първият човек, който лично видя клетъчната структура на живия организъм, е изобретателят на микроскопа Робърт Хук. През 1665 г. той разглежда клетъчната структура на кората на дъба. Оттогава структурата на микроскопите и методите за изследване на жизнената активност на клетките са далеч напред. И те продължават да се развиват, давайки на учените нов и нов материал за изследвания и теории за функционирането на структурните звена на целия живот на нашата планета.

Най-известните имена в клетъчната история

Робърт Хук, който учи клетъчна структура на растенията вярваха, че стените им са живи, а не съдържанието. След 10 години италианският лекар Марчело Малпиги предложи първата клетъчна теория за структурата на растенията. Той вярва, че всички растителни органи се образуват от клетки, които имат цитоплазма. Антъни ван Левенхук изследва човешките червени кръвни клетки и човешките сперматозоиди, а известният френски зоолог Жан Батист Ламарк приема, че всички живи организми са изградени от клетки. Разпоредби на съвременното клетъчна теория представен от немски биолози Теодор Шван и Матиас Шлейден, и го добави към руския патолог Рудолф Вирхов. Така се ражда нова клетъчна наука и това се случи през 1839 г., когато биолозите са използвали само светлинни микроскопи и доста слаб арсенал от знания.

Каква наука изучава живота на клетките?

Задачата на цитолога е да установи клетъчна структура, нейните структурни компоненти, законите на жизнената дейност и нормалното функциониране. Наука цитология, от гръцката дума "cytoc" - "клетка", в допълнение към по-горе, проучва външния вид и смъртта на клетките, процесите на възпроизвеждане. На границата на това знание е патологията на клетките, клиничната цитология - науките, които описват и изучават патологичните състояния на клетката. Биохимията и биофизиката на клетката изучават основите на нейните жизнени процеси. А клетъчната генетика изучава законите за наследяване и преразпределение на материала на наследствеността на клетъчното ниво. И всеки от изброените клонове на биологията има свой план и методи за изследване на клетъчната активност. Нека се запознаем с най-важните от тези методи, с които разполагат съвременните биолози.

Първи микроскопи

Исторически, първите устройства за изследване на клетките са светлинни микроскопи. Принципът на тяхната работа е, че лъчите на светлината преминават през прозрачен обект, който след това навлиза в системата от увеличителни лещи. Съвременните светлинни микроскопи правят възможно увеличаването на обекта на наблюдение с 2 хиляди пъти. Но възможностите му са ограничени от резолюцията - минималното разстояние между две точки, когато те все още са видими като отделни обекти. Границите на тази способност са физическите характеристики на природата на светлината, дължината на светлинната вълна. Най-добрият модерен светлинен микроскоп ви позволява да видите структури с разстояние между елементи от 0,25 микрометра. За сравнение: размерът на бактериите Е. coli е 2 микрометра. По този начин, светлинната микроскопия прави възможно изследването на едноклетъчни организми, структурата на тъканите и клетките, но вътрешната структура на клетъчните органели, малките бактерии и вируси не са достъпни за този метод за изследване на клетъчната активност. Но има някои предимства на този метод - той ви позволява да провеждате in vivo изследване на биологичен обект. В допълнение, различни методи на оцветяване лекарства дават ясни картини и са широко използвани в клиничната диагностика.

Електронна микроскопия

Границата на разделителната способност може да бъде преодоляна, ако се използват електрони вместо светлина, за да се получи изображение. И такава стъпка е направена през 1931 г., когато е издаден първият патент за трансмисионния електронен микроскоп. Това устройство също има лещи, но те не са стъклени, а магнитни. Те фокусират електрони и показват изображението на екрана. Електронната микроскопия като метод за изследване на жизнената активност на клетката ви позволява да увеличите обект с милион пъти, а границата на разделителна способност да се увеличи до 0,5 нанометра. Съвременните електронни микроскопи са прозрачни и растерни (сканиране). Но какъвто и тип увеличаващо устройство да има своите недостатъци. Въпреки високата яснота на образа, такива устройства не позволяват изучаването на биологични обекти в живота, а подготовката на пробата за такова изследване е много дълъг и скъп процес.

3D клетъчен модел

Един от най-новите начини за изследване на жизнената активност на клетка, която е само на няколко десетилетия, е флуоресцентната микроскопия. Методът се основава на въвеждането на специални светлинни етикети в клетката (вещества, които при определено осветление светят в различен цвят). Те могат да маркират отделни молекули на веществото и да проследят пътя си в клетката. Освен това такива етикети осигуряват красиви и ясни триизмерни изображения на обекта.

Разкъсайте клетката

За да се изследва структурата на отделните структурни компоненти на клетката, важно е да ги изолираме в чиста форма, която стана съвсем реална в началото на 40-те години на миналия век. Такова разделяне на фракции е възможно чрез диференциално центрофугиране като един от методите за изследване на клетъчната активност. Планът за прилагане на този метод се състои от два етапа: разрушаване на клетката и разделяне на компонентите на фракции, които се различават по молекулно тегло. Те унищожават клетъчните стени чрез ултразвук, спукване или просто смилане.

В центрофугата, поради центробежните сили, по-тежките компоненти се утаяват първо. Така, при високи скорости на центрофугиране, клетъчните ядра се отлагат първо, след това митохондриите и другите органели, последните са рибозомите. Отделните органели се изследват лесно под микроскоп. При внимателно прилагане на този метод за изследване на клетъчната активност се запазва планът на структурата на органелите и е възможно да се установи молекулярният механизъм на някои процеси. Използването на фракционно центрофугиране позволява дешифриране на етапите на биосинтеза на протеини в клетките.

Замразяване и изследване

Доста нов метод в клетъчната биология е замразяването. По време на нормалното замразяване, ледените кристали се появяват в клетките, нарушавайки структурата. Но с бързо замразяване с течен азот (температура минус 196 градуса по Целзий), водата не се превръща в кристална форма и клетките не се деформират. След това парчетата от пробите се нарязват, отстранява се излишък от лед и се нанася слой от тежки метали. След това тъканта на пробата се разтваря и отпечатъкът се оставя и в резултат се получава ефектът на сенките. Изображението в микроскопа се получава обемно. Чрез използването на такъв метод за изследване на жизнената активност на клетките е възможно да се изследва структурата на мембраните.

Метод на културата

Какви методи използват съвременните учени за изучаване на клетките? Тук е един от най-необичайните и невероятно обещаващи - расте в специална среда. Този метод се използва, когато за изследването са необходими много идентични клетки. И жив. След това се приготвя много сложна среда (13 аминокиселини, 8 витамина, глюкоза, антибиотици и минерални соли), върху която се поставя клетъчната култура. Известно е, че клетките в културата умират след определен брой деления. Но в културата могат да се появят мутантни видове, които са способни на безкрайно възпроизвеждане. Това е тях и въвеждат чиста линия, която се нарича трансплантируема. Най-известната такава линия е линията на HeLa, ракова клетка на шийката на матката. Те бяха оттеглени през 1952 г.

Клетъчна микрохирургия

Това е един от най-интересните методи за изучаване на клетките. С микроманипулатори (много малки кукички, пипети, игли, капиляри), клетката се отрязва и може да се добави като нещо, така че да може да се отстрани. Специалистът следи целия процес с микроскоп. По този начин можете да трансплантирате ядрото на една клетка в друга и да докажете, че тя е определящ за видовете фактор (такива експерименти бяха проведени с амеби). Този метод открива възможността за въвеждане на антитела и специални протеини в живите клетки, които влияят значително на жизнената активност. Методът се развива активно днес, широко се използва в генното инженерство - отделна посока на биологията, насочена към манипулиране на гените на организмите и отглеждане на изкуствени протеини, тъкани и цели организми.

Нанороботи в цитологията

Американски биолози вече са създали нанопроби, които могат да следят електрохимичните и биохимичните процеси в живите клетки. Експерименталният модел е толкова малък, че може да се побере в ядрото или дори в митохондриите.

Но в Швеция е разработен наносензор, който измерва рН в цитоплазмата на клетката и е в състояние да различи дори отделни молекули от химични вещества в различни части на клетката. В допълнение, той ще усети много слаб електрохимичен потенциал, който възниква при присъединяване на биомолекули.

В Кеймбриджския университет учените са проектирали наномотор, който може да донесе нещо в клетката, от хранителни молекули до антитела. Те го наричали "мравка" - той упражнява сила върху предмет, който е 100 пъти по-голям от теглото му. Перспективите на "мравка" в медицината са поразителни в техния обхват.

И накрая. Здравните сензори, молекулярните монтьори, нано-сондите и устройствата за съхранение на информация вече не са бъдещето на технологиите, а настоящето. Американският изобретател и футурист Рей Курцвейл твърди, че с помощта на нанотехнологията човешката биологична нервна система може да бъде свързана с интернет още през 2030 година.