Metode proučavanja stanične aktivnosti. biologija

Prva osoba koja je osobno vidjela staničnu strukturu živog organizma je izumitelj mikroskopa Roberta Hookea. Godine 1665. razmotrio je staničnu strukturu kore hrasta. Od tada su struktura mikroskopa i metode za proučavanje vitalne aktivnosti stanica daleko napredovali. I nastavljaju se razvijati, dajući znanstvenicima nove i nove materijale za istraživanje i teorije funkcioniranja strukturnih jedinica cjelokupnog života na našoj planeti.

Najpoznatija imena u povijesti stanica

Robert Hooke, koji je studirao struktura biljnih stanica vjerovali su da su njihovi zidovi živi, ​​a ne sadržaj. Nakon 10 godina, talijanski liječnik Marcello Malpigi predložio je prvu staničnu teoriju o strukturi biljaka. Vjerovao je da sve biljne organe tvore stanice koje imaju citoplazmu. Anthony van Leeuwenhoek pregledao je ljudske crvene krvne stanice i ljudske spermije, a poznati francuski zoolog Jean Baptiste Lamarck pretpostavio je da su svi živi organizmi izgrađeni od stanica. Odredbe modernog teorija stanica koje su uveli njemački biolozi Theodor Schwann i Mathias Schleiden i dodali ga ruskom patologu Rudolph Virkhov. Tako je nastala nova znanost o stanicama, koja se dogodila 1839. godine, kada su biolozi koristili samo svjetlosne mikroskope i prilično loš arsenal znanja.

Koja znanost proučava život stanica?

Zadatak citologa je utvrditi struktura stanica, njegove strukturne komponente, zakoni vitalne aktivnosti i normalno funkcioniranje. Znanstvena citologija, od grčke riječi "cytoc" - "stanica", osim gore navedenog, proučava pojavu i smrt stanica, procese reprodukcije. Na granici tog znanja je patologija stanica, klinička citologija - znanosti koje opisuju i proučavaju patološka stanja stanice. Biokemija i biofizika stanice proučavaju osnove njegovih vitalnih procesa. I genetika stanica proučava zakone nasljeđivanja i preraspodjele materijala nasljednosti na staničnoj razini. Svaka od navedenih grana biologije ima svoj plan i metode za proučavanje stanične aktivnosti. Upoznajmo se s najvažnijim metodama kojima su moderni biolozi na raspolaganju.

Prvi mikroskopi

Povijesno gledano, prvi uređaji za proučavanje stanica bili su svjetlosni mikroskopi. Princip njihovog rada je da zrake svjetlosti prolaze kroz prozirni objekt, koji zatim ulazi u sustav povećavajućih leća. Moderni svjetlosni mikroskopi omogućuju povećanje predmeta promatranja za 2 tisuće puta. No njegove su mogućnosti ograničene razlučivošću - minimalnom udaljenosti između dvije točke, kada su još uvijek vidljive kao zasebni objekti. Granice te sposobnosti su fizička svojstva prirode svjetlosti, duljina svjetlosnog vala. Najbolji moderni svjetlosni mikroskop omogućuje vam da vidite strukture s razmakom između elemenata od 0,25 mikrometra. Za usporedbu: veličina bakterije E. coli je 2 mikrometra. Tako svjetlosna mikroskopija omogućuje proučavanje jednostaničnih organizama, strukture tkiva i stanica, ali unutarnja struktura staničnih organela, malih bakterija i virusa nije dostupna za ovu metodu proučavanja stanične aktivnosti. Ali postoje određene prednosti ove metode - ona vam omogućuje provođenje in vivo istraživanja biološkog objekta. Osim toga, različite metode lijekova za bojenje daju jasne slike i naširoko se koriste u kliničkoj dijagnostici.

Elektronska mikroskopija

Granica rezolucije može se prekoračiti ako se umjesto svjetla koriste elektroni za dobivanje slike. I takav je korak napravljen 1931. godine, kada je izdan prvi patent za transmisijski elektronski mikroskop. Ovaj uređaj ima i leće, ali one nisu staklene, već magnetske. Fokusiraju elektrone i prikazuju sliku na zaslonu. Elektronska mikroskopija kao metoda za proučavanje vitalne aktivnosti stanice omogućuje povećanje objekta za milijun puta, a granica rezolucije se povećava na 0,5 nanometara. Moderni elektronski mikroskopi su prozirni i rasterski (skeniranje). Ali bez obzira na vrstu uređaja za povećavanje, on ima svoje nedostatke. Unatoč vrlo visokoj jasnoći slike, takvi uređaji ne dopuštaju proučavanje bioloških objekata u životu, a priprema uzorka za takvu studiju je vrlo dug i skup proces.

3D model ćelije

Jedan od najnovijih načina proučavanja vitalne aktivnosti stanice, koja je stara samo nekoliko desetljeća, je fluorescentna mikroskopija. Metoda se temelji na uvođenju specijalnih svjetlećih naljepnica u stanicu (tvari koje pod određenim osvjetljenjem sjaju u drugoj boji). Mogu označiti pojedinačne molekule tvari i pratiti svoj put u ćeliji. Osim toga, takve oznake pružaju lijepe i jasne trodimenzionalne slike objekta.

Razdvojite kavez

Da bi se proučavala struktura pojedinih strukturnih komponenti ćelije, važno je izolirati ih u čistom obliku, koji je postao prilično stvaran početkom 40-ih godina prošlog stoljeća. Takvo odvajanje u frakcije moguće je uporabom diferencijalnog centrifugiranja kao jedne od metoda za proučavanje stanične aktivnosti. Plan za primjenu ove metode sastoji se od dva stupnja: razaranja stanice i odvajanja komponenti u frakcije koje se razlikuju po svojoj molekularnoj težini. Oni uništavaju stanične zidove ultrazvukom, pucanjem ili jednostavnim brušenjem.

U centrifugi, zbog centrifugalnih sila, teže se komponente prvo nagrizaju. Dakle, pri velikim brzinama centrifugiranja, stanice se prvo talože, zatim mitohondrije i druge organele, a posljednje su ribosomi. Odvojene organele lako se proučavaju pod mikroskopom. Uz pažljivu primjenu ove metode proučavanja stanične aktivnosti, očuvan je plan strukture organela i moguće je utvrditi molekularni mehanizam nekih procesa. Upotreba frakcijskog centrifugiranja omogućila je dešifriranje faza biosinteze proteina u stanicama.

Zamrzni i pregledaj

Novija metoda u staničnoj biologiji je smrzavanje-razbijanje. Tijekom normalnog smrzavanja, u stanicama se pojavljuju kristali leda koji iskrivljuju strukturu. No, s brzim zamrzavanjem s tekućim dušikom (temperatura minus 196 stupnjeva Celzija), voda se ne pretvara u kristalni oblik i stanice se ne deformiraju. Zatim se komadići uzoraka sjeckuju, ukloni se višak leda i nanosi se sloj teških metala. Tada se tkanina uzorka otopi, a otisak se ostavi i kao rezultat se dobije efekt sjena. Slika u mikroskopu dobiva se volumetrijski. Korištenjem takve metode proučavanja vitalne aktivnosti stanica moguće je proučiti strukturu membrana.

Metoda kulture

Koje metode moderni znanstvenici koriste za proučavanje stanica? Ovdje je jedan od najneobičnijih i nevjerojatno obećavajućih - raste u posebnim okruženjima. Ova metoda se koristi kada su za istraživanje potrebne mnoge identične stanice. I živ. Zatim se priprema vrlo složena okolina (13 aminokiselina, 8 vitamina, glukoze, antibiotika i mineralnih soli) na koju se stavlja kultura stanica. Poznato je da stanice u kulturi umiru nakon određenog broja podjela. Ali u kulturi se mogu pojaviti mutantne vrste koje su sposobne za beskonačnu reprodukciju. To su oni i donose čistu liniju, koja se naziva presađivanjem. Najpoznatija takva linija je linija HeLa, stanica raka vrata maternice. Oni su povučeni 1952.

Mikrokirurgija stanica

To je jedna od najzanimljivijih metoda za proučavanje stanica. Kod mikromanipulatora (vrlo male kuke, pipete, igle, kapilare), stanica se reže i može se dodati kao nešto, tako da se može ukloniti. Stručnjak nadzire cijeli proces mikroskopom. Na taj način možete presaditi jezgru jedne stanice u drugu i dokazati da je to faktor koji određuje vrstu (takvi eksperimenti provedeni su s amebama). Ova metoda otvara mogućnost uvođenja antitijela i posebnih proteina u žive stanice koje značajno utječu na vitalnu aktivnost. Metoda se aktivno razvija i danas, naširoko se koristi u genetskom inženjerstvu - zasebnom smjeru biologije, čiji je cilj manipuliranje genima organizama i uzgoj umjetnih proteina, tkiva i cijelih organizama.

Nanoroboti u citologiji

Američki biolozi već su stvorili nanoprobe koje mogu pratiti elektrokemijske i biokemijske procese u živim stanicama. Eksperimentalni model je toliko mali da može stati u jezgru ili čak mitohondrije.

No, u Švedskoj je razvijen nanosenzor koji mjeri pH u citoplazmi stanice i može razlikovati čak i pojedinačne molekule kemijskih tvari u različitim dijelovima stanice. Osim toga, osjetit će vrlo slab elektrokemijski potencijal, koji nastaje kada se pridruže biomolekule.

Na Sveučilištu Cambridge, znanstvenici su dizajnirali nano-motor koji može donijeti bilo što u stanicu, od molekula hranjivih tvari do antitijela. Zvali su ga "mrav" - on djeluje 100 puta veći od svoje težine. Izgledi "mrava" u medicini su upečatljivi u svom opsegu.

I na kraju. Zdravstveni senzori, molekularni sastavljači, nano-sonde i uređaji za pohranu podataka više nisu budućnost tehnologije, već sadašnjost. Američki izumitelj i futurist Ray Kurzweil tvrdi da se uz pomoć nanotehnologije ljudski biološki živčani sustav može povezati s internetom već 2030. godine.