Першою людиною, на власні очі побачив клітинну будову живого організму, був винахідник мікроскопа Роберт Гук. В 1665 році він розглянув клітинну будову кори дуба. З тих пір будову мікроскопів і методи вивчення життєдіяльності клітин пішли далеко вперед. І продовжують розвиватися, даючи вченим все новий і новий матеріал для досліджень і теорій функціонування структурних одиниць усього живого на нашій планеті.
Найвідоміші імена в історії вивчення клітини
Роберт Гук, який займався вивченням будови рослинної клітини, вважав, що живими є їх стінки, а не вміст. Через 10 років італійський лікар Марчелло Мальпігі запропонував першу клітинну теорію будови рослин. Він вважав, що всі органи рослин утворені клітинами, в яких є цитоплазма. Ентоні ван Левенгук розглянув еритроцити крові і сперматозоїди людини, а відомий зоолог з Франції Жан Батист Ламарк допустив, що всі живі організми будуються з клітин. Положення сучасної клітинної теорії ввели німецькі біологи Теодор Шванн і Матіас Шлейден, а доповнив її російський патологоанатом Рудольф Вирхов. Так зародилася нова наука про клітинах, і сталося це в 1839 році, коли на озброєнні біологів були тільки світлові мікроскопи і досить убогий арсенал знань.
Яка наука займається вивченням життєдіяльності клітин?
Завдання біолога-цитолога – встановити будову клітини, її структурних компонентів, законів життєдіяльності та нормального функціонування. Наука цитологія, від грецького слова “cytoc” – “клітка”, крім перерахованого, вивчає поява і смерть клітин, процеси розмноження. На кордоні цих знань знаходиться патоморфологія клітин, клінічна цитологія – науки, які описують і вивчають патологічні стану клітини. Біохімія та біофізика клітини вивчає основи процесів її життєдіяльності. А генетика клітини вивчає закони спадковості і перерозподілу матеріалу спадковості на клітинному рівні. І кожна з перерахованих галузей біології має свій план і методи вивчення життєдіяльності клітини. Познайомимося з самими важливими з цих методів, якими володіють сучасні біологи.
Перші мікроскопи
Історично першими приладами для вивчення клітин були світлові мікроскопи. Принцип їх роботи полягає в тому, що через прозорий об’єкт проходять промені світла, які після цього потрапляють в систему збільшувальних лінз. Сучасні світлові мікроскопи дають можливість збільшення об’єкта спостереження в 2 тисячі разів. Але можливості його обмежуються роздільною здатністю – мінімальною відстанню між двома точками, коли їх ще видно як окремі об’єкти. Межі цієї здатності – фізичні особливості природи світла, довжина світлової хвилі. Найкращий сучасний світловий мікроскоп дозволяє побачити структури з відстанню між елементами в 0,25 мікрометра. Для порівняння: розмір бактерії кишкової палички – 2 мікрометра. Таким чином, світлова мікроскопія дозволяє вивчати одноклітинні організми, будова тканин і клітин, але внутрішня будова органел клітини, дрібних бактерій і вірусів недоступні даним методом вивчення життєдіяльності клітин. Але певні переваги у даного методу є – він дозволяє вести прижиттєве вивчення біологічного об’єкта. Крім того, різні методики фарбування препаратів дають чіткі картинки і широко використовуються в клінічній діагностиці.
Електронна мікроскопія
Кордон дозвільної здатності можна переступити, якщо використовувати не світло для отримання зображення, а електрони. І такий крок було зроблено в 1931 році, коли був виданий перший патент на просвічуючий електронний мікроскоп. В даному пристрої теж є лінзи, але вони не скляні, а магнітні. Вони фокусують електрони і виводить зображення на екран. Електронна мікроскопія як метод вивчення життєдіяльності клітини дозволяє збільшити об’єкт в мільйон разів, а межа роздільної здатності збільшується до 0,5 нанометрів. Сучасні електронні мікроскопи бувають прозорими і растровими (скануючи). Але якого типу не був би збільшувальний прилад, у нього є свої недоліки. Незважаючи на дуже високу чіткість зображення, такі прилади не дають змогу вивчати біологічні об’єкти при житті, і підготовка зразка для такого дослідження – дуже довгий і дорогий процес.
Тривимірна модель клітини
Одним з новітніх способів вивчення життєдіяльності клітини, якому всього кілька десятиліть, є флуоресцентна мікроскопія. Метод заснований на внесенні в клітку спеціальних світних міток (речовини, які при певному освітленні світяться іншим кольором). Ними можна позначити окремі молекули речовини і прослідкувати їх шлях у клітці. Крім того, такі мітки дають гарні і чіткі тривимірні зображення об’єкта.
Розібрати клітку на частини
Для вивчення будови окремих структурних компонентів клітини важливо виділити їх у чистому вигляді, що стало цілком реальним на початку 40-х років минулого століття. Таке розділення на фракції можливо при використанні диференційного центрифугування як одного з методів вивчення життєдіяльності клітини. План застосування цього методу складається з двох етапів: руйнування клітини і поділ компонентів на фракції, різні за своєю молекулярною вагою. Руйнують оболонки клітин ультразвуком, продавлюванням або простим подрібненням.
В центрифузі, за рахунок відцентрових сил, більш важкі компоненти осідають першими. Так, при високих швидкостях центрифугування, ядра клітин осідають першими, потім – мітохондрії та інші органели, останніми осідають рибосоми. Відокремлені органели легко вивчати під мікроскопом. При обережному застосуванні цього методу вивчення життєдіяльності клітини план будови органел зберігається, і з’являється можливість встановити молекулярний механізм деяких процесів. Саме використання фракційного центрифугування дозволило розшифрувати етапи біосинтезу білків у клітинах.
Заморозимо і вивчимо
Досить новим методом вивчення біології клітини є заморожування-сколювання. При звичайному заморожуванні в клітинах з’являються кристали льоду, які спотворюють структуру. Але при швидкого заморожування рідким азотом (температура мінус 196 градусів за Цельсієм) вода не переходить у кристалічну форму і клітини не деформуються. Потім шматочки зразка розколюють, надлишки льоду видаляють, напилюють шар важких металів. Потім саму тканину зразка розчиняють, а залишають відбиток і в результаті отримують ефект тіней. Зображення в мікроскопі виходить об’ємним. Саме завдяки використанню такого методу вивчення життєдіяльності клітин вдалося вивчити будову мембран.
Метод культури
Які методи використовують для вивчення клітин сучасні вчені? Ось один з самих незвичайних і неймовірно перспективних – вирощування на спеціальних середовищах. Цей метод використовується, коли необхідно багато однакових клітин для вивчення. Причому живих. Тоді готується дуже складне середовище (13 амінокислот, 8 вітамінів, глюкоза, антибіотики і мінеральні солі), на яку поміщають культуру клітин. Відомо, що клітини в культурі гинуть після певного числа поділок. Але в культурі можуть з’явитися мутантні види, які здатні до безмежного розмноження. Саме їх і виводять на чисту лінію, яка називається перещеплюваної. Найвідоміша така лінія – лінія HeLa – клітини ракової пухлини шийки матки. Вони були виведені в 1952 році.
Мікрохірургія в клітинах
Це один з найцікавіших методів вивчення клітин. Микроманипуляторами (дуже маленькі гачки, піпетки, голки, капіляри) клітина розрізається, і в неї можна що-небудь додати, так і вилучити. За всім процесом стежить фахівець в мікроскоп. Саме таким способом можна пересадити ядро однієї клітини в іншу і довести, що саме воно є видоопределяющим фактором (такі досліди були проведені з амебами). Цей спосіб відкриває можливості введення в живі клітини антитіл і спеціальних білків, які значно впливають на життєдіяльність. Метод сьогодні активно розвивається, широко застосовується він у генній інженерії – окремому напрямку біології, направленому на маніпуляції з генами організмів і вирощування штучних білків, тканин і цілих організмів.
Нанороботи в цитології
Американськими біологами вже створено нанозонд, який може моніторити електрохімічні і біохімічні процеси у живих клітинах. Експериментальна модель настільки мала, що здатна поміститися в ядрі або навіть мітохондрії.
А ось у Швеції розроблений наносенсор, який вимірює рН в цитоплазмі клітини і здатний відрізнити навіть окремі молекули хімічних речовин у різних частинах клітини. Крім того, він відчує дуже слабкий електрохімічний потенціал, який виникає при з’єднанні біомолекул.
У Кембриджському університеті вчені спроектували нанодвигатель, здатний доставити всередину клітини що завгодно – від молекул поживних речовин до антитіл. Назвали його «мураха» – він має силу на предмет, в 100 разів перевищує його вагу. Перспективи «мурашки» у медицині вражають своїм розмахом.
І наостанок. Датчики здоров’я, молекулярні ассемблеры, нанозонды та пристрої зберігання інформації – це вже не майбутнє технологій, а справжнє. Американський винахідник і футуролог Рей Курцвейл стверджує, що за допомогою нанотехнологій біологічна нервова система людини може бути підключена до Інтернету вже у 2030 році.
