Metode za proučevanje celične aktivnosti. Biologija

Prva oseba, ki je osebno videla celično strukturo živega organizma, je izumitelj mikroskopa Robert Hooke. Leta 1665 je obravnaval celično strukturo lubja hrasta. Od takrat so struktura mikroskopov in metode za proučevanje vitalne aktivnosti celic daleč naprej. Še naprej se razvijajo in dajejo znanstvenikom nove in nove materiale za raziskave in teorije o delovanju strukturnih enot vsega življenja na našem planetu.

Najbolj znana imena v celični zgodovini

Robert Hooke, ki je študiral rastlinska celična struktura verjeli so, da so njihove stene žive, in ne vsebine. Po 10 letih je italijanski zdravnik Marcello Malpigi predlagal prvo celično teorijo o strukturi rastlin. Verjel je, da vse rastlinske organe tvorijo celice, ki imajo citoplazmo. Anthony van Leeuwenhoek je pregledal človeške rdeče krvne celice in človeške spermije, znani francoski zoolog Jean Baptiste Lamarck pa je domneval, da so vsi živi organizmi zgrajeni iz celic. Določbe sodobnega celične teorije predstavili so ga nemški biologi Theodor Schwann in Mathias Schleiden in ga dodali ruskemu patologu Rudolph Virkhov. Tako se je rodila nova celična znanost, ki se je zgodila leta 1839, ko so biologi uporabljali le svetlobne mikroskope in precej slab arzenal znanja.

Kakšna znanost preučuje življenje celic?

Naloga citologa je ugotoviti celična struktura, strukturne komponente, zakoni vitalne dejavnosti in normalno delovanje. Znanstvena citologija, od grške besede "cytoc" - "celica", poleg zgoraj, preučuje pojav in smrt celic, procese razmnoževanja. Na meji tega znanja je patologija celic, klinična citologija - znanosti, ki opisujejo in preučujejo patološka stanja celice. Biokemija in biofizika celice proučujeta osnove njenih vitalnih procesov. In celična genetika proučuje zakone dedovanja in prerazporeditve materiala dednosti na celični ravni. Vsaka od navedenih bioloških vej ima svoj načrt in metode za proučevanje celične aktivnosti. Spoznajmo najpomembnejše metode, ki jih imajo sodobni biologi na voljo.

Prvi mikroskopi

V preteklosti so bile prve naprave za proučevanje celic svetlobni mikroskopi. Načelo njihovega dela je, da žarki svetlobe preidejo skozi prosojni objekt, ki nato vstopi v sistem povečevalnih leč. Sodobni svetlobni mikroskopi omogočajo povečanje predmeta opazovanja za 2 tisoč krat. Vendar so njegove možnosti omejene z ločljivostjo - minimalno razdaljo med dvema točkama, ko so še vedno vidne kot ločeni objekti. Meje te sposobnosti so fizične značilnosti narave svetlobe, dolžina svetlobnega vala. Najboljši sodobni svetlobni mikroskop vam omogoča, da vidite strukture z razdaljo med elementi 0,25 mikrometra. Za primerjavo: velikost bakterije E. coli je 2 mikrometrov. Tako svetlobna mikroskopija omogoča preučevanje enoceličnih organizmov, strukture tkiv in celic, vendar notranja struktura celičnih organelov, majhnih bakterij in virusov ni na voljo za to metodo preučevanja celične aktivnosti. Vendar pa obstajajo nekatere prednosti za to metodo - to vam omogoča, da opravi in ​​vivo študijo biološkega objekta. Poleg tega različne metode barvanja zdravil dajejo jasne slike in se pogosto uporabljajo v klinični diagnostiki.

Elektronska mikroskopija

Meja ločljivosti lahko prekoračimo, če namesto svetlobe uporabimo elektrone za pridobitev slike. Takšen korak je bil narejen leta 1931, ko je bil izdan prvi patent za transmisijski elektronski mikroskop. Ta naprava ima tudi leče, vendar niso steklene, ampak magnetne. Osredotočajo elektrone in prikažejo sliko na zaslonu. Elektronska mikroskopija kot metoda za preučevanje življenjske aktivnosti celice omogoča, da objekt poveča milijonkrat, meja ločljivosti pa se poveča na 0,5 nanometrov. Sodobni elektronski mikroskopi so prosojni in rastrski (skeniranje). Ampak ne glede na vrsto povečevalne naprave ima svoje pomanjkljivosti. Kljub zelo visoki slikovnosti, takšne naprave ne omogočajo preučevanja bioloških objektov v življenju, priprava vzorca za tako študijo pa je zelo dolg in drag postopek.

3D model celice

Eden od najnovejših načinov za preučevanje življenjske aktivnosti celice, ki je stara le nekaj desetletij, je fluorescenčna mikroskopija. Metoda temelji na uvajanju posebnih celic v svetlobne nalepke (snovi, ki pod določeno osvetljenostjo svetijo v drugačni barvi). Lahko označijo posamezne molekule snovi in ​​sledijo svoji poti v celici. Poleg tega takšne oznake zagotavljajo lepe in jasne tridimenzionalne slike objekta.

Razdelite kletko

Za proučevanje strukture posameznih strukturnih elementov celice je pomembno, da jih izoliramo v čisti obliki, ki je postala resnična v zgodnjih 40. letih prejšnjega stoletja. Takšno ločevanje v frakcije je možno z diferencialnim centrifugiranjem kot eno od metod za preučevanje celične aktivnosti. Načrt za uporabo te metode je sestavljen iz dveh stopenj: uničenje celice in ločevanje komponent v frakcije, ki se razlikujejo po molekulski masi. Uničujejo celične stene z ultrazvokom, razpočenjem ali preprosto mletjem.

V centrifugi se zaradi centrifugalnih sil najstrožje komponente najprej usedajo. Torej, pri visokih hitrostih centrifugiranja, se najprej naberejo celična jedra, nato mitohondrije in druge organele, zadnji so ribosomi. Ločene organele lahko preučujemo pod mikroskopom. S skrbno uporabo te metode proučevanja celične aktivnosti se ohrani načrt strukture organelov in postane možno vzpostaviti molekularni mehanizem nekaterih procesov. To je bila uporaba frakcijskega centrifugiranja, ki je omogočila dešifriranje faz biosinteze beljakovin v celicah.

Zamrznite in pregledajte

Precej nova metoda v celični biologiji je zamrznitev-uničenje. Med normalnim zamrzovanjem se v celicah pojavijo ledeni kristali, ki izkrivljajo strukturo. Toda s hitrim zamrzovanjem s tekočim dušikom (temperatura minus 196 stopinj Celzija) se voda ne pretvori v kristalno obliko in celice se ne deformirajo. Nato se kosi vzorca razrežejo, odstranijo se odvečni led in nanese nanos plast težkih kovin. Nato se tkanina vzorca raztopi, tisk pa ostane in posledično dobimo učinek senc. Sliko v mikroskopu dobimo volumetrično. Z uporabo takšne metode proučevanja vitalne aktivnosti celic je bilo mogoče preučiti strukturo membran.

Metoda kulture

Katere metode moderni znanstveniki uporabljajo za preučevanje celic? Tukaj je ena najbolj nenavadnih in neverjetno obetajočih - rast v posebnih okoljih. Ta metoda se uporablja, kadar je za študijo potrebnih veliko identičnih celic. In živ. Nato se pripravi zelo zapleteno okolje (13 aminokislin, 8 vitaminov, glukoze, antibiotikov in mineralnih soli), na katerega se postavi celična kultura. Znano je, da celice v kulturi umrejo po določenem številu delitev. Toda v kulturi se lahko pojavijo mutantne vrste, ki so sposobne neskončne reprodukcije. To so oni in prinašajo čisto linijo, ki se imenuje transplantabilna. Najbolj znana je linija HeLa, celica raka materničnega vratu. Leta 1952 so bile umaknjene.

Mikrokirurgija celic

To je ena izmed najbolj zanimivih metod za preučevanje celic. Pri mikromanipulatorjih (zelo majhni kavlji, pipete, igle, kapilare) se celica reže in se lahko doda kot nekaj, da jo lahko odstranimo. Specialist spremlja celoten proces z mikroskopom. Tako lahko jedro ene celice presadimo v drugo in dokažemo, da je to tipski faktor (takšni poskusi so bili izvedeni z amebami). Ta metoda odpira možnost uvedbe protiteles in posebnih beljakovin v žive celice, ki pomembno vplivajo na vitalnost. Metoda se danes aktivno razvija, pogosto se uporablja v genetskem inženirstvu - ločena smer biologije, namenjena manipulaciji genov organizmov in gojenju umetnih beljakovin, tkiv in celih organizmov.

Nanoroboti v citologiji

Ameriški biologi so že ustvarili nanoprobe, ki lahko spremljajo elektrokemijske in biokemične procese v živih celicah. Eksperimentalni model je tako majhen, da se lahko prilega jedru ali celo mitohondrijem.

Na Švedskem je bil razvit nanosenzor, ki meri pH v celični celici in je sposoben razlikovati celo posamezne molekule kemičnih snovi v različnih delih celice. Poleg tega bo čutil zelo šibek elektrokemijski potencial, ki se pojavi, ko se pridružijo biomolekule.

Na Univerzi v Cambridgeu so znanstveniki izdelali nano-motor, ki lahko v celico prinese vse, od hranilnih molekul do protiteles. Imenovali so ga "mravlja" - na predmet 100-krat večji od njegove teže. Možnosti "mravlje" v medicini so presenetljive.

In končno. Zdravstveni senzorji, molekularni sestavljavci, nano-sonde in naprave za shranjevanje informacij niso več prihodnost tehnologije, ampak sedanjost. Ameriški izumitelj in futurist Ray Kurzweil trdi, da je s pomočjo nanotehnologije človeški biološki živčni sistem že 2030 mogoče povezati z internetom.