ПОДІЛ КЛІТИН

Тема 1. КЛІТИНА

§10. ПОДІЛ КЛІТИН

Ви дізнаєтесь, як клітина готується до найважливішої події свого життя – поділу, і що під час цієї події з клітиною відбувається.

Чому ДНК є в кожної людини? Від чого виникає небезпечне захворювання – “рак”?

Ріст клітини та всі процеси, які його забезпечують (зокрема живлення, фотосинтез або внутрішньоклітинне травлення, виділення, дихання), є підготовкою клітини до найважливішої події в її житті – клітинного поділу. При поділі з однієї материнської клітини утворюються дві “нові”

– дочірні. Таким чином, біологічне значення поділу клітин полягає у передачі естафети життя новим поколінням клітин.

Мал. 15. Клітинний цикл

Розвиток клітини від її утворення (після поділу материнської клітини) до завершення власного поділу – називається клітинним циклом. Він включає дві стадії: стадію росту та стадію поділі (мал. 15). Протягом більшої частини клітинного циклу клітина знаходиться на стадії росту. Ця стадія, залежно від тину клітини, може продовжуватися від кількох годин до кількох місяців. Стадія поділу короткочасна: її тривалість зазвичай становить від

30 хв до 2 год.

У стадії росту клітина синтезує складні органічні речовини. Як наслідок, клітина збільшується.

Далі в ядрі відбувається подвоєння носіїв спадкової інформації – молекул ДНК (мал. 16).

Мал.16. На стаді росту молекули ДНК подвоюються

Молекула ДНК має вигляд тонкої, але дуже довгої нитки. Вона складається з двох спірально закручених ланцюжків. Одна молекула ДНК, упакована за допомогою спеціальних білків, називається хромосомою (мал. 17). До початку поділу клітини хромосоми розміщуються в ядрі у вигляді рихлої переплутаної маси, де окрема нитка в оптичний мікроскоп не помітна.

Цікаво знати

Якщо втягнуту в одну лінію молекули ДНК, що містяться в хромосомах однієї клітини людини, то її довжина перевищить 2 м; при цьому діаметр ядра, де розташовуються молекули ДНК, в середньому становить лише 5 мкм. Якщо ж втягнути в довжину всі молекули ДНК, які містяться в клітинах організму однією дорослої людини (близько одного квадрильйона клітин), то відстань у 10 тис. разів перевищить відстань від Землі до Сонця.

Кожна молекула ДНК подвоюється шляхом копіювання. Як наслідок, замість однієї материнської молекули ДНК у хромосомі з’являються дві її точні копії.

У різних видів організмів кількість молекул ДНК у клітині не однакова. Наприклад, клітини тіла людини містять у ядрі 46 хромосом, тобто 46 молекул упакованої ДНК. Проте наприкінці фази росту кількість молекул ДНК у хромосомі подвоюється, і 46 хромосом містять вже 92 молекули ДНК.

Стадія поділу розпочинається після завершення росту клітини та подвоєння її ДНК і завершується утворенням двох дочірніх клітин. Спочатку хромосоми надзвичайно щільно згортаються і стають помітними в оптичний мікроскоп.

Без щільної упаковки хромосом розподіл копій ДНК між дочірніми клітинами нагадував би неможливу спробу розділити дві сплетені у безладний клубок нитки таким чином, щоб ані нитки не порвалися, ані вузли не утворилися. Саме в забезпеченні розподілу копій ДНК між дочірніми клітинами полягає роль хромосом при поділі клітин.

Хромосома на стадії поділу має дві паличкоподібні частини, з’єднані однією спільною ділянкою, – це дні з’єднані між собою копії материнської молекули ДНК. Хромосома ділиться по спільній ділянці, і кожна частина стає самостійною дочірньою хромосомою.

Мал. 17. У ядрі молекула ДНК упакована за допомогою спеціальних білків і утворює структуру, яка називається хромосомою

Мал. 18. Поділ клітини

Вони розходяться до протилежних полюсів клітини. Таким чином, при поділі ядра копії ДНК розподіляються між двома майбутніми дочірніми клітинами (мал. 18).

Далі клітинна мембрана розділяє цитоплазму на дві частини. На цьому подія завершується, і кожна дочірня клітина розпочинає свій власний клітинний цикл.

Доля дочірніх клітин. Всі клітини “народжуються” лише внаслідок поділу материнської клітини. Але далеко не всі дочірні клітини завершують поділом свій власний клітинний цикл.

У багатоклітинних істот, особливо тих, що мають складну будову і добре помітні навіть без використання збільшувальних приладів, чимало клітин протягом усього свого життя залишаються на стадії росту і працюють на користь інших клітин свого організму. Наприклад, не здатні до поділу червоні кров’яні тільця – еритроцити, не ділиться більшість клітин кісток, мозку, м’язів. Такі клітини є спеціалізованими для виконання певних функцій. Вони вже не можуть ділитися й утворювати дочірні клітини. Життя спеціалізованих клітин завершується не поділом, а відмиранням. Нові ж клітини в організмах утворюються завдяки поділу особливих клітин, які в людини і тварин називаються стовбуровими.

ВИСНОВКИ

1. Поділ клітин забезпечує неперервність передачі життя наступним поколінням.

2. Внаслідок поділу дочірні клітини завдяки хромосомам отримують у спадок програму росту та розвитку – молекули ДНК.

3. Внаслідок поділу цитоплазми дочірні клітини успадковують усі органели та структури, які необхідні для виконання програми, записано в молекулі ДНК.

ТЕРМІНИ І ПОНЯТТЯ, ЯКІ ПОТРІБНО ЗАСВОЇТИ

Клітинний цикл, стадія росту, стадія поділу, хромосома.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Які основні процеси відбуваються в клітині на стадії росту?

2. Які основні процеси відбуваються в клітині на стадії поділу?

3. Яку роль відіграють хромосоми в поділі клітин?

4. У якій послідовності відбуваються події протягом клітинного циклу: поділ цитоплазми, подвоєння ДНК, ріст, поділ ядра?

5. У чому полягає біологічне значення поділу клітин?

ЗАВДАННЯ

У засобах масової інформації часто використовуються вислови: “Земля – жива планета”, “живий океан”, “жива істота”, “жива вода”, “жива рослина”. Які з цих висловів, з точки зору біології, правильні, а які – хибні? Відповідь обгрунтуйте.

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Відповідь на запитання школяра “Від чого виникає небезпечне захворювання – “рак”?”

Спеціалізовані клітини, які відмирають, заміщуються новими клітинами, що утворюються внаслідок поділу неспеціалізованих клітин, і далі набувають певної “професії”. Якщо ж клітина, яка мала замістити відмерлу спеціалізовану клітину, не спеціалізується, то вона завершує клітинний цикл поділом і передає цю здатність своїм нащадкам. Такі клітини починають неконтрольовано ділитися, утворюючи пухлини. Виникав хвороба – рак. Окрема клітина з ракової пухлини може відділитися і бути занесена кровотоком до інших здорових частин тіла, де дасть початок новій пухлині – метастазу.

Наразі відомо, що для перетворення здорової клітини на ракову необхідно, щоб при копіюванні ДНК у деяких її ділянках – певних генах – з’явились помилки, тобто щоб спадкова інформація під час копіювання була певним чином спотворена. Такі помилки (їх називають мутаціями) трапляються випадково і дуже рідко (наприклад, мутація в одному гені, що спричинює розвиток раку, трапляється приблизно 1 раз на 1 млн – 1 млрд поділів).

Проте під впливом деяких чинників, які називають канцерогенами, мутації трапляються в десятки, сотні й тисячі разів частіше. Відповідно, ймовірність виникнення неслеціалізованих клітин замість спеціалізованих зростає в десятки, сотні й тисячі разів, і, враховуючи велику кількість клітин, з яких складається тіло людини (приблизно 1 000 000 000 000 000 клітин – один квадрильйон), з малоймовірної стає досить високою.

Канцерогенами є радіоактивне випромінювання, продукти горіння пластмас, випаровування бензину та близьких до нього речовин, тютюновий дим. Канцерогенні сполуки також утворюються при підгорянні м’яса, олії та сала, при спалюванні сміття. Канцерогени можуть виникати в організмі при вживанні їжі з високим вмістом нітратів та нітритів тощо.

Практична робота 1

БУДОВА СВІТЛОВОГО МІКРОСКОПА ТА РОБОТА З НИМ

Мета роботи: використовуючи постійний препарат тваринних клітин, навчитися працювати зі світловим мікроскопом на малому та великому збільшенні.

Обладнання, інструменти та реактиви: мікроскоп.

Матеріал: постійний мікроскопічний препарат тваринних клітин (препарат клітин плоского епітелію).

Препарати, придатні для вивчення протягом десятків років, виготовлені з використанням проворих смол, що тверднуть, навивають постійними. Саме таким є препарат тваринних клітин, який ви будете використовувати у цій роботі.

ХІД РОБОТИ

1. Розгляньте світловий (оптичний) мікроскоп. Пригадайте та розпізнайте його основні частини.

2. Підготовка мікроскопа до роботи.

– Встановіть мікроскоп на робочому столі навпроти лівого плеча на відстані близько 2-5 см від краю столу дзеркальцем від себе.

– Перевірте стан корпусу та дзеркала. Якщо вони запорошені або брудні, очистіть їх м’якою серветкою. Далі краєм одноразової м’якої паперової серветки, зволоженої 70 % – м етиловим спиртом або іншою спеціальною рідиною для оптики, протріть поверхні ліна об’єктивів та окуляра. Далі треба насухо витерти ці поверхні сухою частиною цієї самої серветки.

Пам’ятайте: якщо оптична система брудна, налаштувати мікроскоп ви не зможете і якісного зображення не отримаєте.

– Нахиліть штатив на 10-20°. Переконайтеся, що мікроскоп не хитається. Увімкніть об’єктив малого збільшення (10-кратний).

3. Налаштування мікроскопа.

– Покладіть препарат на предметний столик таким чином, щоб центральна частина покривного скла розташувалася точно під об’єктивом. Притисніть предметне скло лапками тримачів препарату.

Мал, 19. Налаштувати освітлення: а – дзеркальце наведено на примі сонячні промені (небезпечно, забороняється!); б – світла не вистачав (неправильно); в – світло налаштовано правильно

– Спостерігаючи за рухом тубуса збоку, макрогвинтом повільно опустіть його так, щоб відстань між об’єктивом та препаратом становила приблизно 5 мм.

– Налаштуйте освітлення. Для цього повністю відкрийте діафрагму. Далі, обертаючи дзеркало в напрямку вікна або яскравої лампи, спрямуйте на препарат потік світла. Подивіться в окуляр і переконайтеся, що поле зору освітлено достатньо (мал. 19).

Увага! Категорично забороняється використовувати прямі сонячні промені для освітлення препаратів!

– Спостерігаючи крізь окуляр, макрогвинтом повільно піднімайте об’єктив до отримання зображення клітин (мал. 20, а). При цьому спочатку до двох разів можуть з’являтися та зникати чіткі зображення рівних дуже дрібних часточок. Першими будуть часточки мікробруду, що лежать на нижньому боці предметного скла, другими – мікробруд на верхньому боці предметного скла, і лише за ними – тваринні клітини всередині препарату.

Увага! При спостереженні в окуляр обидва ока дослідника мають бути відкритими.

– Перейдіть на велике збільшення. Для цього обережно поверніть револьверну насадку і ввімкніть 40-кратний об’єктив. У момент увімкнення ви почуєте легке клацання пружини фіксатора об’єктива. Відрегулюйте чіткість зображення мікрогвинтом. За допомогою діафрагми збільшіть яскравість освітлення препарату. Якщо всі маніпуляції виконано правильно, то картина буде схожою на наведену на малюнку 20, б.

4. Спостереження об’єкта в мікроскоп.

При проведенні спостережень з мікроскопом працюють особисто. Різні люди мають неоднакову якість зору, тому кожний спостерігач налаштовує чіткість під своє око.

Мал. 20. Тваринні клітини у постійному препараті на малому (а) та великому (б) збільшенні (помітно цитоплазму та ядра-1, межі клітин -2)

На великому збільшенні перегляньте препарат на всю його глибину, постійно злегка обертаючи мікрогвинт уперед-назад приблизно на 1/10 від повного його оберту.

Ви побачите багато клітин неправильно округлої форми, всередині яких помітно досить велике тільце – це ядро, яке розташовується в цитоплазмі.

Замалюйте одну клітину при великому збільшенні. Позначте ядро та цитоплазму.

Зображення виконується обов’язково у великому масштабі. Для визначення правильного масштабу діаметр поля зору приймають рівним висоті учнівського зошита (24 см) і, виходячи з цього, розраховують приблизний розмір малюнка. Наприклад, якщо довжина однієї клітини на великому збільшенні становить близько третини ноля зору, то на малюнку її довжина має скласти приблизно 8 см (24 см: 3). Малюнок виконують простим добре загостреним олівцем середньої твердості. Зображення розфарбовують тільки після виготовлення чіткого чорно-білого ескізу, б. Завершення роботи:

– переведіть мікроскоп на мале збільшення;

– зніміть препарат;

– приберіть робоче місце.

1. З яких елементів складається оптичний система мікроскопа?

2. Як підготувати оптичний мікроскоп до роботи?

3. Як здійснити налаштування оптичного мікроскопа?

4. Який об’єктив вмикають на початку роботи з мікроскопом?

5. Яким чином розрахувати масштаб при виконанні малюнка досліджуваного об’єкта?

6. Як правильно завершити роботу з мікроскопом?

Практична робота 2

ВИГОТОВЛЕННЯ МІКРОПРЕПАРАТІВ ШКІРКИ ЛУСКИ ЦИБУЛІ ТА РОЗГЛЯД ЇЇ ЗА ДОПОМОГОЮ ОПТИЧНОГО МІКРОСКОПА

Мета роботи: навчитися виготовляти тимчасовий препарат шкірки цибулі, роздивитись препарат за допомогою оптичного мікроскопа, виявити у клітині цитоплазму, ядро, вакуолю а клітинним соком, клітинну оболонку.

Обладнання, інструменти та реактиви: мікроскоп, набір інструментів для виготовлення тимчасових препаратів – піпетка, ножиці, скальпель або гострий ніж, пінцет, дві препарувальні голки, скляна паличка, предмет та покривне скло (мал. 21), ємність для води, контейнер для сміття, витратні матеріали (фільтрувальний папір та паперові серветки), розчин йоду спиртовий.

Мал. 21. Набір інструментів для виготовлення тимчасових препаратів: а – піпетка, б – ніж, в – ножиці, г – скляна паличка, д – пінцет, е – препарувальна голка, є – скальпель; ж – покривне скло у коробці та окреме скло; з – два предметні скла

Матеріал: цибулина городньої цибулі.

Препарати, виготовлені у воді, довго не зберігаються. Їх називають тимчасовими. Такі препарати ви маєте навчитися виготовляти самостійно. Щоб роздивитись клітинну оболонку, цитоплазму та ядро у рослинній клітині пропонуємо виготовити тимчасовий препарат шкірки луски цибулі городньої.

ХІД РОБОТИ

1. Підготуйте мікроскоп до роботи.

2. Виготовіть тимчасовий незабарвлений препарат верхньої шкірки луски цибулини:

А) на предметне скельце нанесіть піпеткою краплину води. Зніміть із цибулини зовнішні сухі луски. Ножем або скальпелем розріжте цибулину хрестоподібно вздовж. Відокремте верхню соковиту луску (мал. 22).

Увага! Будьте обережними! При роботі з ножем або скальпелем виконуйте лише зазначену процедуру, у випадку травмування відразу повідомте вчителя та скористайтесь аптечкою першої допомоги;

Б) ножем або скальпелем надріжте увігнуту поверхню знятої луски так, щоб утворились квадрати зі стороною приблизно 1 см. Пінцетом зніміть з поверхні квадрата шкірку (вона тонка і майже прозора), покладіть на предметне скельце у краплину води та обережно розправте препарувальними голками;

Розрізати цибулину

Надрізати поверхню луски на квадрати зі стороною приблизно 1 см

Мал. 22. Препарування цибулини

Мал. 23. Виготовлення препарату та видалення зайвої води

В) покривне скло поставте з нахилом біля краю краплі й обережно опустіть його на об’єкт (мал. 23). Між предметним і покривним склом не повинно бути пухирців повітря. Якщо води замало і вона не заповнює простір між предметним і покривним склом, обережно додайте під покривне скельце води, доторкнувшись змоченою у воді скляною паличкою до предметного скла на межі з покривним. Якщо води багато і вона занадто виступає за краї скельця – приберіть надлишок смужкою фільтрувального паперу.

3. Покладіть препарат на предметний столик та притисніть його лапками тримачів. На малому збільшенні налаштуйте мікроскоп та отримайте зображення клітин.

У незабарвлених препаратах чітко помітні клітини, щільно притиснуті одна до одної. В окремих клітинах добре розрізняється лише клітинна оболонка. В деяких клітинах у центрі наявний кристал (його помилково можна прийняти за ядро). Ядра повністю або майже непомітні (жал. 24, а).

4. Увімкніть об’єктив великого збільшення. Відрегулюйте чіткість зображення мікрогвинтом, а яскравість та контрастність – діафрагмою. Роздивіться клітини.

Мал. 24. Клітини шкірки цибулі на малому (а) та великому (б, а) збільшенні у незабарвленому препараті. На великому збільшенні в клітинах спостерігаються погано помітні ядра (червоні стрілки) та тяжі цитоплазми (сині стрілки), що проходять крізь вакуолю

При легкому обертанні мікрогвинта в кожній клітині (але в різних площинах препарату) мають спостерігатися великі, майже прозорі ядра (мал. 24, б, в). У кутах більшості клітин можна розрізнити погано помітну межу між цитоплазмою та вакуолею, а біля ядра – помітити тонкі тяжі цитоплазми, які пронизують вакуолю (мал. 24, в).

Зверніть увагу: коли в клітині ядро лежить у центрі і його помітно чітко, то клітинна оболонка виглядає нечіткою; при спробі навести мікрогвинтом чіткість на клітинну оболонку – розпливається зображення ядра. Водночас ядро та клітинна оболонка помітні чітко лише тоді, коли ядро лежить збоку, але тоді його форма не округла.

5. Зафарбуйте препарат розчином йоду:

– увімкніть об’єктив малого збільшення, зніміть препарат із предметного столика та покладіть його на стіл на аркуш білого паперу;

– скляною паличкою візьміть краплинку йоду. Обережно нанесіть її на предметне скельце на межі з покривним. Для того щоб йод потрапив під покривне скельце, до протилежного боку покривного скла прикладіть смужку фільтрувального паперу. Коли більша частина краплини йоду потрапить під скло, розбавте її залишки однією-двома краплинами води і відтягніть їх смужкою фільтрувального паперу.

У правильно забарвленому препараті частина шкірки цибулі в одного боку буде жовтуватою (там куди потрапив розчин йоду), з іншого – залишиться безбарвного.

6. Покладіть препарат на предметний столик та розгляньте його на малому збільшенні. Переміщуйте препарат від забарвленого краю до незабарвленого. Знайдіть клітини з різним ступенем забарвлення. Порівняйте отримане зображення з наведеним на фотографіях (мал. 25, а, б).

Мал. 25, Клітини шкірки цибулі у препараті, забарвленому розчином йода, а – на малому збільшенні на межі між забарвленою (ліворуч) та назабарвленою (праворуч) ділянками; б – на малому збільшенні в забарвленій частині препарату; в-на великому збільшенні. У клітині добре помітно ядро (червона стрілка) та тонкі тяжі цитоплазми (сині стрілки), що проходять крізь вакуолю

7. Переведіть мікроскоп на велике збільшення, розгляньте ядра, цитоплазматичні тяжі та клітинні оболонки забарвлених клітин (мал. 25, в).

8. Зобразіть забарвлену розчином йоду клітину, позначте клітинну оболонку, ядро, цитоплазматичні тяжі, вакуолю.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Яка структура на препараті шкірки луски цибулі помітна найкраще?

2. Чи в усіх клітинах на незабарвлених препаратах розрізняється ядро?

3. Чи в усіх клітинах наявне ядро?

4. Чому ядро в одних клітинах спостерігається в центрі, а в Інших – збоку, біля клітинної оболонки?

5. Чому при роботі з об’єктивом великого збільшення постійно треба трохи обертати мікрогвинт уперед-назад?

ПІДБЄМО ПІДСУМКИ

1. Ми усвідомили чотири основні положення сучасної клітинної теорії:

– клітина є найменшою одиницею життя. Клітину не можна розділити на дрібніші живі одиниці, хоча вона й складається з багатьох тісно пов’язаних між собою частин;

– властивості, які відрізняють живе від неживого проявляються на рівні клітини;

– всі живі організми складаються з однієї або багатьох клітин;

– будь-які клітини утворюються лише від існуючих кліпи.

2. Ми запам’ятали, що всі живі клітини обов’язково відмежовані від зовнішнього середовища клітинною мембраною, мають цитоплазму з органелами та містять молекули ДНК, які керують роботою клітини та забезпечують передачу спадкової інформації наступним поколінням (мал. 26).

Мал. 26

3. Ми зрозуміли, що робота клітини полягає в забезпеченні неперервності життя: в підготовці до поділу та у поділі – розмноженні, які здійснюються протягом клітинного циклу (мал. 27).

Мал. 27

4. Ми з’ясували, що на стадії росту клітини: а) поглинають речовини – живляться; б) синтезують із простих речовин складні органічні речовини, за рахунок яких збільшуються в розмірі – власне, ростуть; в) забезпечують себе енергією у процесі дихання, при цьому клітини більшості організмів споживають кисень; г) позбавляються шкідливих продуктів життєдіяльності – здійснюють процес виділення; г) копіюють носія спадкової інформації – подвоюють кількість молекул ДНК.

5. Ми побачили, що клітини, незважаючи на принципову схожість, можуть суттєво відрізнятися, наприклад, клітини рослин та клітини тварин (жал. 28).