Ботаніка - Б.Є. Якубенко 2017

Частина перша. Анатомія і морфологія рослин
Розділ I. Цитологія
1.1. Розвиток і завдання цитології. Клітинна теорія будови живих організмів. Методи цитологічних досліджень

Цитологія — це наука про будову і життєдіяльність клітини. Тривалий час цитологія вважалась описовою наукою і тільки завдяки успіхам сучасної мікроскопії будову та функції клітини стали вивчати на молекулярному рівні.

Клітина — це основна біологічна і функціональна структурна одиниця живих організмів. Сам термін клітина у 1665 р. запропонував англійський дослідник Роберт Гук. Сучасник Гука голландець Антоні ван Левенгук за допомогою мікроскопа власної конструкції відкрив одноклітинні інфузорії, бактерії, а також еритроцити і сперматозоїди.

У 1671 р. італійський ботанік Марчелло Мальпігі й англійський Неемія Грю описали клітинну будову рослин і створили ескіз першого підручника з анатомії рослин. Варто зазначити, що перші вчені анатоми надавали велике значення оболонці клітини, оскільки примітивність тогочасних мікроскопів не дозволяла вивчити живий уміст рослинної клітини.

На початок ХІХ ст. було зібрано чимало інформації про будову клітин різних типів, що стало передумовою створення клітинної теорії, яка вплинула на розвиток не лише ботаніки, а й біології в цілому. У 1830 році чеський біолог Ян Пуркіне описав цитоплазму, у 1831 р. Роберт Броун — описав ядро у рослинних клітинах, а німецький зоолог Т. Шванн — тваринних. Спираючись на всі наявні матеріали німецькі біологи Теодор Шванн і Матіас Шлейден у 1839 році сформулювали головні положення клітинної теорії: усі живі організми складаються з клітин, клітини рослин і тварин подібні за будовою і хімічним складом. Співавторами клітинної теорії вважають німецького біолога Роберта Вірхова, який довів, що клітини розмножуються поділом, а також Карла Бера, який показав, що організми ссавців розвиваються з однієї клітини — зиготи. На сучасному етапі розвитку біології клітинна теорія включає такі положення:

- клітина — елементарна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів;

- клітини усіх організмів гомологічні (подібні за походженням, будовою, хімічним складом);

- кожна нова клітина утворюється виключно шляхом розмноження материнської;

- багатоклітинний Організм — це сукупність клітин, тканин і органів, пов’язаних між собою різними формами регуляції.

Наприкінці ХІХ ст. у клітині були виявлені внутрішньоядерні структури — Хромосоми, описані способи поділу ядра. Уперше поділ ядра описав російський біолог Іван Чистяков (1871р.), трохи пізніше каріокінез детально описав німецький учений Едуард Страсбургер (1875р.). У 1898р. російський біолог Володимир Бєляєв описав Мейоз і в цьому ж році професор Київського університету Сергій Навашин відкрив Подвійне Запліднення у покритонасінних рослин.

Двадцяте століття ознаменувалось бурхливим розвитком цитології у зв’язку з появою нових методів досліджень, зроблених завдяки винайденню електронного мікроскопа. Електронна мікроскопія дала змогу досліджувати клітину на молекулярному рівні і сприяла появі нового розділу біології — молекулярної біології. Після другої світової війни була описана ультрамікроскопічна будова клітини, зокрема будова і досліджені функції ендоплазматичної сітки, рибосом, комплексу Гольджі, мітохондрій, хлоропластів. Ці Органели вирізняються винятково тонкою структурою і виконують важливі функції: хлоропласти в процесі фотосинтезу зв’язують енергію сонячного світла, Мітохондрії в процесі окислення і Дихання звільняють енергію і доставляють її в клітину у вигляді молекул АТФ. За допомогою електронного мікроскопа досліджуються мембранні структури клітини: ендоплазматична сітка, мітохондрії, Пластиди, комплекс Гольджі.

У 1956 році американські вчені Френсіс Крік і Джеймс Уотсон описали просторову модель ДНК, її будову і функції, пізніше було відкрито код ДНК і деталізовано процес біосинтезу білка в рибосомах, розкрита матеріальна природа гена.

Методи цитологічних досліджень. Основним методом цитології є мікроскопічні дослідження з використанням різних типів мікроскопів. Для багатьох наукових досліджень використовують світлові мікроскопи. Світлова мікроскопія ґрунтується на тому, що через прозорий об’єкт проходять промені світла, які потрапляють на систему лінз окуляра та об’єктива і дають змогу бачити збільшене зображення об’єкта. Збільшення у світловому мікроскопі може сягати до 2500 разів. Працюючи зі світловим мікроскопом живі клітини доводиться фіксувати певними хімікатами, фарбувати барвниками, виділяючи окремі структури. Тому для вивчення живої клітини були створені спеціальні мікроскопи: фазово-контрастний, люмінесцентний, інтерференційний, поляризаційний. Усі ці вдосконалення не зменшують значення світлового мікроскопа для цитологічних досліджень.

Ультраструктуру більшості органоїдів досліджують за допомогою електронного мікроскопа, який було сконструйовано в першій половині ХХ ст. Від світлового або оптичного мікроскопа він відрізняється тим, що замість світлового потоку в магнітному полі від катода до анода рухається потік електронів, який прискорюється високою різницею потенціалів між полюсами. Пройшовши крізь об’єкт, електрони потрапляють на люмінесцентний екран, збуджуючи його свічення, або на особливу фотопластину, за допомогою якої об’єкт можна фотографувати. Скануючий Електронний мікроскоп дає можливість проводити прижиттєві дослідження об’єктів.

У скануючому мікроскопі електрони відбиваються від поверхні об’єкта і під час руху створюють зображення у зворотному напрямку. Для скануючого мікроскопа матеріал часто заморожують, щоб одержати поверхню, вкриту льодом.

Метод центрифугування застосовують для вивчення окремих органоїдів. Клітини попередньо подрібнюють, центрифугують і вивчають окремі фракції, що утворились.

Метод мічених атомів призначений для вивчення місця перебігу тих чи інших біохімічних реакцій у клітині.

Метод культури клітин і тканин — вирощування з однієї клітини, яку вміщують у живильне середовище, багатоклітинних організмів або тканин.

Цитологія, як і інші біологічні науки має важливе значення для вирішення основних завдань агрономічної практики, вона є теоретичною основою генетики та селекції рослин, тісно пов'язана із фізіологією, біохімією, ембріологією, культурою клітин і тканин, біотехнологіями.