МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА БИОЛОГИИ
В.А. Толстой, а.П. Веремейчик
Человек в системе природы.
Методы изучения клетки
Учебно-методическое пособие
Минск 2005
УДК 576.3/.7(075.8)
ББК 28.703 я 73
Т 53
Утверждено Научно-методическим советом университета в качестве
учебно-методического пособия 27.04.2005 г., протокол № 7
Авторы: канд. биол. наук, доц. В.А. Толстой; канд. биол. наук, асс. А.П. Веремейчик
Рецензент: зав. каф. гистологии, эмбриологии и цитологии, д-р биол. наук, проф. Б.А. Слука
Толстой, В. А.
Т 53 Человек в системе природы. Методы изучения клетки : учеб.-метод. пособие / В. А. Толстой, А. П. Веремейчик. – Мн.: БГМУ, 2005. – 20 с.
ISBN 985-462-441-2.
Рассматриваются вопросы, касающиеся уровней и свойств живой материи, положения человека в системе животного мира, предмета и методов цитологии. Особое внимание уделяется приборам и методам микроскопии.
Предназначается для студентов первого курса всех факультетов.
УДК 576.3/.7(075.8)
ББК 28.703я73
ISBN 985-462-441-2 © Оформление. Белорусский государственный
медицинский университет, 2005
Понятие о живой материи
Свойства, признаки и уровни организации живой материи
Жизнь — особая форма существования материи в виде систем открытого типа, беспрерывно обменивающихся с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Биохимическим субстратом жизни (её материальной основой) является комплекс нуклеиновых кислот и белковых молекул. Их совместное функционирование обеспечивает следующие фундаментальные свойства живого:
саморегуляцию — способность изменять параметры собственной жизнедеятельности в соответствии с изменением условий окружающей среды;
самообновление — способность синтезировать, восстанавливать или заменять собственные структурно-функциональные компоненты;
самовоспроизведение — способность создавать себе подобных, тем самым увеличивая собственную численность и обеспечивая преемственность в ряду поколений.
Указанные свойства определяют основные признаки живого:
обмен веществ и энергии;
наследственность иизменчивость;
дискретность (делимость на составляющие) и целостность;
онтогенез (индивидуальное развитие) и филогенез (эволюция);
рост — увеличение линейных размеров, объёма и массы;
репродукция (размножение);
раздражимость — реагирование на внешние воздействия;
гомеостатичность — поддержание относительного постоянства внутренней среды — гомеостаза;
движение, элементарным и универсальным проявлением которого является перемещение участков протоплазмы в клетках.
Данные признаки проявляются в совокупности на всех уровнях организации живой материи, основными из которых являются:
молекулярно-генетический — представлен молекулами неорганических и органических соединений; обеспечивает метаболические процессы, хранение и реализацию генетической информации;
субклеточный — отображает строение и функции отдельных структур клетки (оболочки, ядра, компонентов цитоплазмы);
клеточный — ключевой уровень организации живой материи, так как вне клетки проявлений жизни не существует;
тканевой — представлен различными тканями, формирующими органы и системы органов организма;
организменный — отображает особенности анатомии и физиологии отдельного организма;
популяционно-видовой — рассматривается как форма существования определённого вида в конкретных условиях окружающей среды;
биогеоценотический — отображает взаимоотношения популяций разных видов организмов, проживающих совместно на определённой территории, и их приспособленность к среде обитания;
биосферный — формируется как совокупность всех биогеоценозов (экосистем) планеты Земля; отображает биогенный круговорот вещества и энергии.
Таким образом, каждый предыдущий уровень является структурной единицей последующего (вышестоящего) уровня организации живого.
Изучение живого (методы биологических наук
и их роль в развитии медицины)
Целостное представление о живой материи можно получить только при комплексном исследовании проявлений жизни на всех уровнях её организации. Этим занимается биология, включающая в себя ряд специальных дисциплин (биологических наук). В частности, биохимия, биофизика и молекулярная биология изучают проявления жизни на молекулярно-генетическом уровне; цитология — на субклеточном и клеточном уровнях; гистология — на тканевом. Закономерности индивидуального развития и строение организмов изучают эмбриология, анатомия, физиология; историческое развитие живых систем — эволюционное учение, палеобиология. Популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный уровни исследуют генетика, биогеография, систематика, экология и др.
Все биологические дисциплины тесно взаимосвязаны и в совокупности служат базой для развития различных отраслей народного хозяйства, селекции, ветеринарии, медицины. При этом каждая наука для решения стоящих перед ней задач использует большой арсенал методов. Наиболее универсальными из них являются методы наблюдения, описания, моделирования, экспериментирования.
Роль биологических исследований в медицине трудно переоценить. Например, с помощью методов биологического моделирования (биомодели — подопытные животные) изучают механизмы возникновения и развития многих болезней человека, разрабатывают способы их профилактики и лечения.
Изучение биологии паразитов необходимо для успешной борьбы с инфекционными и инвазионными заболеваниями.
Исследование биохимического состава, физиологии растений и животных лежит в основе развития фармакологии, фито- и биотерапии.
С помощью методов генной инженерии (генетическое конструирование клеток и организмов с заданными свойствами) и биотехнологий (технологические процессы с использованием живых организмов) налажено промышленное производство антибиотиков, интерферона, некоторых гормонов и ферментов, многих витаминов.
Методы определения точной локализации и строения генов человека позволят в будущем проводить генно-инженерную терапию наследственных и врождённых заболеваний.
В целом, изучение биологии способствует выработке материалистического мировоззрения и понимания места человека в системе живой природы.
Человек в системе природы
Положение человека в системе животного мира
Согласно современной систематике, человек относится:
к типу Хордовые — характерны закладка в эмбриогенезе хорды; над хордой развивается нервная трубка, под хордой — кишечная трубка, передний конец которой (глотка) пронизан жаберными щелями; сердце располагается на брюшной стороне; кожа двухслойная;
подтипу Позвоночные — осевой скелет представлен черепом и позвоночником; имеются 2 пары конечностей, челюстной аппарат, дифференцированный на отделы головной мозг;
классу Млекопитающие — характерны живорождение, вскармливание детёнышей молоком; волосяной покров и наличие кожных желез (сальных, потовых, млечных); дифференцированные зубы (резцы, клыки, коренные); три слуховые косточки и кортиев орган; два затылочных мыщелка и семь шейных позвонков; 4-камерное сердце и левая дуга аорты; вторичная кора головного мозга; диафрагма; теплокровность;
подклассу Плацентарные — характерны внутриутробное развитие зародыша и его питание через плаценту;
отряду Приматы — отличаются большой массой головного мозга и хорошо развитой корой больших полушарий с бороздами и извилинами; длительным периодом детства; наличием сходных групп крови по системам АВ0 и Rh-фактору, кожных узоров на ладонях и стопах, плоских ногтей;
к семейству Люди, роду Человек, представленному единственным ныне живущим видом Homo sapiens (Человек разумный) — характерны преобладание объёма мозгового отдела черепа над лицевым; развитие подбородочного выступа; анатомические особенности, связанные с прямохождением (лордозы и кифозы позвоночника, плоская и широкая грудная клетка, массивные позвонки поясничного отдела, чашеобразный таз, массивные и длинные кости нижних конечностей, сводчатость стопы); высокая степень противопоставления I-го пальца кисти; развитая членораздельная речь, абстрактное мышление и самосознание; способность к творческому труду.
Доказательством биологической эволюции человека являются палеонтологические данные (ископаемые останки предковых видов); наличие у него рудиментов и атавизмов; типичные для Хордовых стадии эмбрионального развития; высокая степень сходства нуклеотидной последовательности ДНК (РНК) и аминокислотного состава белков у людей и высших обезьян.
Человек как биологическое и социальное существо
Данные биологических исследований доказывают, что по анатомическим и физиологическим характеристикам человек является типичным представителем животного мира. Однако общественный образ жизни, использование огня и мясной пищи, прогрессивное развитие коры больших полушарий головного мозга, абстрактное мышление и речь, совершенствование руки как орудия труда способствовали не только формированию вида Homo sapiens, но и его переходу на качественно новый уровень развития.
От других животных человек отличается способностью создавать сложные орудия труда и детально анализировать причинно-следственные механизмы явлений окружающей среды. Человек обладает стремлением познать самого себя, а также возможностью накапливать и передавать полученные знания из поколения в поколение при помощи письменности.
Опыт поколений используется в постоянном совершенствовании орудий труда (техники) и процессов производства (технологий), с помощью которых человек не только приспосабливается к условиям среды обитания, но и значительно изменяет её в соответствии со своими потребностями.
Таким образом, на современном этапе эволюция человечества определяется в основном социальнымифакторами. Среди них доминируют экономика, политика, культура и научно-технический потенциал. Вместе с тем организм человека подчиняется преимущественно биологическим (природным) закономерностям развития.
Изучение клетки
Предмет и методы цитологии
Основные признаки живого начинают проявляться на клеточном уровне организации. Чтобы понять их суть, необходимо изучить структуру и функции самих клеток.
Наука о строении и жизнедеятельности клеток (цитология) тесно связана с биофизикой, биохимией, физиологией, каждая из которых имеет цитологические аспекты, а цитология использует достижения и методы этих наук.
Методы цитологии разнообразны, так как подробное изучение жизнедеятельности клеток и тканей требует всестороннего подхода. Из них наиболее часто применяются следующие.
Микроскопические методы:
1) методы световой микроскопии (обычная, стереоскопическая, инвертированная):
светлого и тёмного поля;
фазово-контрастный;
поляризационный;
интерференционный;
люминесцентный (флуоресцентный);
2) методы электронной микроскопии:
просвечивающий;
сканирующий.
Подробнее о них будет сказано далее.
Цитохимические (гистохимические) методы, которые часто используютсясовместно с микроскопическими методами для определения химического состава или локализации конкретного вещества в клетке либо в срезах ткани.Они основаны на применении специальных красителей, позволяющих избирательно окрашивать на препарате только участки скопления исследуемого вещества.
В настоящее время существует множество цито- и гистохимических реакций на белки и аминокислоты, на нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды. Имеются реагенты, избирательно окрашивающие некоторые внутриклеточные ферментные системы, отдельные органоиды или клетки определённого типа.
Биохимические методы дополняют цитохимические и широко применяются для изучения химического состава клеток, концентрации в тканях каких-либо веществ. Многие из них основаны на свойстве различных биохимических соединений избирательно поглощать световые волны определённой длины (методы спектрофотомерии, фотоэлектроколориметрии).
Метод фракционирования (дифференциального центрифугирования) позволяет изучать состав и свойства изолированных структур и органоидов клетки. Для этого образец ткани вначале измельчают в гомогенизаторе до разрушения клеточных оболочек. Полученный гомогенат помещают в центрифугу, где он разделяется на отдельные фракции. Наиболее тяжёлая из них (слой ядер) оседает на дно пробирки, выше располагается слой митохондрий, а самая лёгкая фракция (гиалоплазма) составляет поверхностный слой.
Используя разные ускорения центрифуги и различные специальные добавки, каждую фракцию можно дополнительно разделить на подфракции: хромосом, ядрышек, миофибрилл, мембран, рибосом и т.п.
Метод авторадиографии применяется для исследования динамики метаболических процессов в конкретных морфологических структурах клетки. Суть этого метода состоит во введении в образец радиоактивных изотопов, которые включаются в молекулы клеточного вещества. В качестве радиоактивных меток наиболее часто используют 131I, 35S, 14C, 3H.
Молекулы, меченные радиоактивными изотопами, участвуют в реакциях обмена. Перемещение, накопление, разрушение таких молекул определяют по излучению, которое регистрируют с помощью фотопластинки.
Рентгеноструктурный анализ проводят для изучения пространственной структуры и расположения молекул в веществе. Этот метод основан на дифракции рентгеновских лучей при прохождении через образец.
С помощью рентгеноструктурного анализа достигнуты значительные успехи в изучении ряда биополимеров. В частности, именно на основе данного метода Уотсоном и Криком была разработана схема строения ДНК.
Микрургия (от греч. mikros — малый и érgon — работа), или микродиссекция (от лат. dissectio — рассечение), — совокупность методических приёмов и технических средств, позволяющих производить под микроскопом операции на очень мелких объектах. Данный метод играет большую роль в изучении свойств живой клетки. С помощью специального прибора — микроманипулятора — выполняются различные операции на клетке и её органоидах. В современных микроманипуляторах движения рук хирурга передаются пневматическими устройствами на микроинструменты, позволяющие удалять части клетки, вводить в неё различные вещества, пересаживать органоиды одной клетки в другую и т.п.
Микроманипуляторы оборудованы инвертированными микроскопами, в которых объективы располагаются под оперируемой клеткой, благодаря чему, микроинструменты получают свободный доступ к объекту сверху. В операционной камере микроманипулятора создаются асептические условия, поэтому в ней можно не только оперировать, но и культивировать испытуемые клетки.
С помощью микрургии изучены реакции клетки на повреждение и удаление различных её частей: ядра, ядрышка, отдельных органоидов. В последнее время стали особенно актуальны исследования локального воздействия радиации на различные компоненты клетки (в том числе и на отдельные хромосомы или их участки).
Пересадка ядер из клетки одного вида в клетку другого вида позволила детально изучить роль ядра и цитоплазмы в наследственности. Большое практическое значение имеет микрургия в клеточной инженерии и клонировании организмов, что открывает новые возможности в селекции и медицинской генетике.
Таким образом, в цитологии используется множество методов, которые нередко сочетаются или дополняют друг друга. Только комплексное их применение позволяет всесторонне изучить строение, химический состав и процессы жизнедеятельности клетки как основной структурно-функциональной и генетической единицы живой материи. Такие исследования способствуют раскрытию причин и следствий многих болезней, приближают к пониманию механизмов старения и долголетия, подсказывают эффективные способы защиты организма от повреждающих факторов окружающей среды.