Удивительный мир растений

 

Начало электронно-микроскопической эры, или на помощь приходят физики

В обыкновенном световом микроскопе структуры и компоненты клетки пропускают одинаковое количество света, имеют одинаковые показатели преломления и поэтому их невозможно различить, как невозможно увидеть стеклянную палочку, погруженную в касторовое масло. В более совершенных микроскопах - фазово-контрастном, интерференционном и поляризационном можно получить уже контрастное изображение и увидеть структуры клетки почти с одинаковыми показателями преломления. Было установлено, что многие вещества клетки обладают способностью к флуоресценции под действием синих или ультрафиолетовых лучей. Объекты с собственной флуоресценцией ярко светится характерным для каждого вещества цветом. Так, хлорофилл обладает ярко-красной флуоресценцией и флуоресцирует, как некоторые витамины. Однако многие вещества начинают светиться после дополнительной окраски некоторыми красителями - флуорохромами. Например, акридин-оранжевый окрашивает молекулы ДНК в зеленый цвет, а РНК - в оранжевый.

Но настоящий переворот в изучении клетки произошел в середине ХХ века с появлением электронного микроскопа. На помощь биологам пришли физики. Они стали применять физические методы в биологических исследованиях. Стало возможным наблюдать очень мелкие структуры в клетке - ведь новый микроскоп увеличивал в 50-200 тысяч раз!

В электронном микроскопе вместо светового луча используется поток электронов. Их источник - металлическая нить, нагретая до красного каления. Электроны, испускаемые питью, в высоком вакууме ускоренно движутся к положительно заряженному электроду - аноду, проходят через отверстие в центре анода и образуют электронный луч. Пучок электронов идет вдоль оси колонки сквозь ряд проволочных катушек (электронных линз). Эти катушки создают магнитные поля. Верхние катушки линзы фокусируют пучок на исследуемый кусочек растительной или животной ткани, предварительно зафиксированный солями тяжелых металлов, осмия, золота или платины. Нижние линзы фокусируют электроны, прошедшие сквозь исследуемый образец, на светящийся экран для видимого наблюдения или на фотопленку для получения фотографий.

Английским физикам - кристаллографам М. Уилкинсу и Р. Фрэнклин из Лондонского университета удалось получить рентгенограммы высокоочищенной кристаллической ДНК методом дифракции рентгеновских лучей. Исследуя эти рентгенограммы, уже в Кембриджском университете, американский биохимик Дж. Уотсон и его английский коллега Ф. Крик создали знаменитую модель - двойную спираль ДНК.

Однако сами по себе рентгенограммы еще ни о чем не говорили. Настойчивость, аналитические расчеты плюс фантазия - эти неоценимые качества привели будущих лауреатов Нобелевской премии к открытию структуры молекулы ДНК - генетического материала клетки, хранящего информацию о наследственных признаках организма.

Найденная структура позволила предложить следующий механизм удвоения генетического материала: если цепи, составляющие двойную спираль, наподобие косички, отделить друг от друга, то каждая из них будет служить матрицей для построения комплементарной цепи. В результате получаются две копии двойной спирали.

Однако для изучения живых клеток современный электронный микроскоп использовать нельзя. Исследуемые живые ткани должны быть зафиксированы, то есть убиты, после чего делаются тонкие срезы.

Сейчас в электронной микроскопии широко используется метод замораживания - скалывания. Установлено что если клетки тканей, растений или дрожжевые клетки быстро охладить до очень низкой температуры с помощью жидкого азота (-196°С), то внутриклеточная вода перейдет в аморфное стекловидное состояние. Крупные и острые кристаллы разрушают клеточные органеллы и их мембраны. Благодаря быстрому замораживанию значительная часть клеток после оттаивания оказывается живой. В замороженном состоянии клетки и ткани можно расколоть стеклянным ножом. Поверхность скола напыляют смесью угля и платины и получают отпечаток - реплику. Исследуемый образец растворяется после оттаивания. Реплику рассматривают в электронном микроскопе, получают фотографии. Поскольку доказано, что замороженные таким образом клетки не убиты, то ученые вправе считать наблюдаемые ими структуры структурами живых организмов.

В световом (оптическом) микроскопе клеточная стенка представляется плотным барьером. Однако для большей части растворенных веществ эта стенка - рыхлая сеть, через которую свободно проходят вода, ионы и молекулы других веществ. Пройдя сквозь клеточную стенку, ионы встречают па своем пути плазматическую мембрану. Мембрана окружает цитоплазму. В самой цитоплазме находятся клеточные органеллы, каждая из которых также окружена собственной мембраной. Мембраны проницаемы и определяют возможность проникновения в клетку различных веществ. На мембранах и даже в мембранах идут важные процессы жизнедеятельности. Мембраны разделяют клетку на отдельные отсеки (компартаменты). Электронный микроскоп показал что мембраны имеют трехслойное строение.

Ученые предложили модель простейшей мембраны, которая напоминает пирог. Внутренний слой его состоит из двух рядов жироподобных веществ - липидов, а наружный - из белков. Но оказалось, что толщина мембран неодинакова, а следовательно, неодинакова и их структура.

Благодаря методу скалывания было обнаружено, что белки могут находиться и внутри мембраны, проходя через двойной слой липидов. Поэтому была предложена также модель мембраны из белковых глобул - шариков. Здесь липидные мицеллы окружены белковыми молекулами.

Исследования последних лет выявили существенное различие в строении внутренней и наружной поверхности мембран. На наружной поверхности расположены белки, рецепторы гормонов, а также белки, участвующие в транспорте веществ. Мембраны динамичны. Молекулы белков и липидов могут перескакивать с одной стороны мембраны на другую.

С помощью электронного микроскопа сегодня можно представить себе клетку, ее цитоплазму. Это сложнейшая дренажная конструкция, состоящая из огромной сети каналов-лабиринтов, микротрубочек, окруженных мембранами. К поверхности мембран прикреплены специфические мельчайшие клеточные частицы - рибосомы. В них осуществляется синтез белковых молекул, которые определяют жизнедеятельность клетки, ее индивидуальность и принадлежность к определенной ткани или органу.

Методы современной биохимии - электрофорез, различные виды хроматографии, ультрацентрифугирования - стали обычными и главными в сегодняшних биологических лабораториях. Они позволили определить качественные и количественные соотношения многих важнейших белков, нуклеиновых кислот, гормонов в клетке. Именно эти методы дали исследователям представление о живой клетке как о самом совершенном производстве.

Но в изучении механизмов передвижения, распределения и обмена важнейших химических веществ в клетке и в целом растении на помощь биологам опять-таки пришли физики.

"Посторонним вход воспрещен" - такую надпись можно прочитать при входе в изотопную лабораторию. Меченые атомы, или правильнее радиоактивные изотопы (радионуклиды), фосфора (^З2Р), железа (⁵⁹Fe), серы (^З5S), углерода (¹⁴C), азота (¹⁵N), трития (³Н) обладают свойствами испускать ионизирующие лучи. Благодаря этому ученые находят соединения с мечеными атомами в целом растении, отдельном органе, клетке и даже органеллах. Очень чувствительные приборы-датчики Гейгера-Мюллера фиксируют излучения радионуклидов. Можно и сфотографировать не видимые глазом атомы, если приложить объект к фотоэмульсии: лучи изотопов оставят свой автограф.

Как ввести радионуклид в растение, например, соль - фосфат натрия, меченный по фосфору? Допустим, требуется проследить за корневым питанием. В этом случае растение с отрезанным корнем опускают в стакан с изотопом и засыпают почвой. Если надо узнать, как распределяется фосфор в листе, то черешок листа быстро опускают в сосуд с раствором соли. Датчики радиоактивности, расположенные на растении, сообщат нам о передвижении и накоплении соединений фосфора.


Смотрите также:
Устройство микроскопа и обращение с ним
Биоповреждения

 

главная

назад

вперёд