СанктПетербург тесса 2009
 Скачать 7.63 Mb.
|
|
Часть 3. ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ Клетка – элементарная единица живого. Клеточная теория. Типы клеточной организации. Структурно-функциональная организация эукариотической клетки. Поверхностный аппарат. Цитоплазма. Органоиды. Включения. Внутриклеточный поток информации, энергии и веществ. Обмен веществ и энергии. Энергетический обмен. Пластический обмен (фотосинтез, хемосинтез). Закономерности существования клетки во времени. Жизненный цикл клетки. Деление клетки (митоз, амитоз). Размножение. Способы и формы размножения. Половое размножение. Половые клетки (гаметогенез, мейоз). Оплодотворение. Онтогенез как процесс реализации наследственной информации. Фенотип организма. Роль наследственности и среды в формировании фенотипа (модификационная изменчивость). Типы и варианты наследования признаков. Моногенное наследование признаков. Аутосомное и сцепленное с полом наследование. Наследование признаков, обусловленных взаимодействием неаллельных генов. Роль наследственности и среды в формировании нормального и патологически измененного организма. Наследственные болезни человека. Генетика человека. Периодизация онтогенеза. Этапы, периоды и стадии онтогенеза. Видоизменения периодов онтогенеза. Морфологические и эволюционные особенности яиц хордовых. Оплодотворение и партеногенез. Эмбриональное развитие. Дробление. Гаструляция. Образование органов и тканей. Механизмы онтогенеза. Деление, миграции, сортировка и гибель клеток. Дифференцировка клеток. Генетический контроль развития. Регенерация. 3.1. Клетка – элементарная единица живого. Структурно-функциональная организация эукариотической клетки опросы для повторения и обсуждения В 1. Сформулируйте основные положения клеточной теории 2. Почему клетку определяют в качестве элементарной единицы жизни и в чем заключаются доказательства того, что клетка действительно является элементарной единицей жизни? 3. Назовите принципиальные различия между клетками- прокариотами и клетками-эукариотами 4. Биологические мембраны – важный фактор целостности клетки и субклеточных образований. Как вы понимаете это утверждение? 5. Перечислите основные функции надмембранных структур поверхностного аппарата клетки. Что представляет собой гликокаликс? 61 Контрольные задания 1. Познакомьтесь с общим планом строения растительной, животной и бактериальной клеток (рис. 3.1). Сравните их относительный размер и укажите их сходство и различия. Заполните таблицу 3.1. Рис. 3.1. Общее строение растительной (1), животной (2) и прокариотной (3) клеток Таблица 3.1. Сравнение клеток растений и животных Признаки Растительная клетка Животная клетка Способ питания Пластиды Синтез АТФ Целлюлозная клеточная стенка Вакуоли Центриоли Запасной углевод Деление Гликокаликс плазмалеммы 2. Одно и то же вещество или ион может поступать в клетку различными способами, скорости поступления могут сильно различаться (например, ионы К+ и Na+ могут либо медленно, пассивно диффундировать через мембраны, либо быстро и в больших количествах активно переноситься натрий-калиевым насосом). Рассмотрите схему транспорта ионов и молекул через плазмалемму (рис. 3.2), какими цифрами обозначены: белок- переносчик, простая диффузия, каналообразующий белок, облегченная диффузия? 62 Рис. 3.2. Схема переноса ионов и молекул через плазматическую мембрану Рис. 3.3. (K+/Na+)-насос 3. Натрий-калиевый насос – это особый белок, пронизывающий толщу мембраны и регулирующий концентрацию ионов К+ и Na+ в клетке, что необходимо для осуществления многих жизненно важных процессов: осморегуляции и сохранении клеточного объема, поддержания разности потенциалов по обе стороны мембраны, поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках, для активного транспорта через плазмалемму других веществ (сахаров, аминокислот). Большие количества калия требуются также для белкового синтеза, гликолиза, фотосинтеза и других процессов. Познакомьтесь со схемой (K+/Na+)- насоса (рис. 3.3). Какими цифрами обозначены: участок связывания Na+; участок связывания K+; ионы 2K+; ионы 3Na+; плазмалемма? Рис. 3.4. Функции плазмалеммы 4. Вспомните основные функции поверхностного аппарата клетки (изолирующая, транспорт- ная, каталитическая, рецепторно- сигнальная, опорно-двигательная, контактная). Рассмотрите рисунок 3.4 и укажите какими цифрами обозначены: организация и локализация функций, процессы транспорта, межклеточные взаимо- действия, пища, рецепция, ограничение от внешней среды и избирательная проницаемость. 63 5. Жидкостно-мозаичная модель строения цитоплазматической мембраны (Singer&Nicolson, 1972) считается в настоящее время общепринятой. Рассмотрите схему строения наружной плазматической мембраны животной клетки (рис. 3.5). Какими цифрами обозначены на схеме: белки, фосфолипид, холестерин, полисахариды, гидрофобные участки фосфолипидов, гидрофильные участки фосфолипидов, гидрофильные участки белков, гидрофобные участки белков, фосфолипидный бислой, гликопротеин, гликолипид? 6. Заполните таблицу 3.2 и укажите для каждого типа транспорта веществ: направление переноса, затраты энергии, переносимые вещества. 7. Рассмотрите комбинированную схему ультраструктурной организации животной и растительной клеток (рис. 3.6 А-Б). Назовите клеточные структуры, указанные цифрами 1-17. 8. Заполните таблицу 3.3 и укажите строение и функции основных органоидов эукариотической клетки. Рис. 3.5. Схема строения плазматической мембраны Таблица 3.2. Способы транспорта веществ через плазмалемму Название способа переноса Направление переноса Затраты энергии Описание переноса и переносимые вещества Диффузия через липидный слой через белковые поры Облегченная диффузия Активный транспорт Эндоцитоз фагоцитоз пиноцитоз Экзоцитоз 64 Рис. 3.6. Комбинированная схема животной (А) и растительной клеток (Б) Таблица 3.3. Структурная система эукариотической клетки Органоиды Строение Функции Поверхностный аппарат клетки надмембранный комплекс цитоплазматическая мембрана субмембранный косплекс Ядерный аппарат Эндоплазматическая сеть Рибосомы Митохондрии Пластиды Комплекс Гольджи Лизосомы Клеточный центр Органеллы движения 65 9. Рассмотрите электронные микрофотографии некоторых клеточных структур эукариотической клетки (рис. 3.7). Назовите клеточные органеллы, указанные цифрами 1-5. 1 2 3 4 5 Рис. 3.7. Электронные микрофотографии органоидов эукариотических клеток 10. Аппарат Гольджи наиболее развит в железистых клетках (поджелудочная желез, гипофиз, слюнные железы). Митохондрий в этих клетках значительно меньше. Объясните эти факты с точки зрения функций, выполняемых данными органеллами. 11. Рассмотрите рисунки 3.8 и 3.9. Какие органоиды клетки изображены на рисунках? Назовите структуры, обозначенные цифрами (1-8). Рис. 3.8. Рис. 3.9. 66 Лабораторный практикум 1. Общий план строения клетки растений и животных 1.1. Строение клеток листа элодеи. Оторванный от стебля лист элодеи положите нижней стороной в каплю воды на предметное стекло, накройте покровным стеклом и рассмотрите при малом и большом увеличении микроскопа (рис. 3.10). Лист элодеи значительно больше поля зрения микроскопа, поэтому даже при работе с малым увеличением препарат необходимо передвигать. Лист состоит из двух слоев клеток, причем клетки верхнего слоя, обращенного к наблюдателю, крупнее клеток нижнего слоя. Обратите внимание на неравномерную окраску листовой пластинки, в середине которой вдоль листа располагается «средняя жилка», состоящая из более светлых клеток. Краевые клетки листа почти прозрачные. Некоторые клетки выступают наружу в виде острых зубцов с концами, обращенными к верхушке листа. В клетках основания листовой пластинки зубцов нет. Наружные стенки зубцов очень толстые, красновато-бурые. Параллельно «средней жилке» вдоль листа проходят узкие темные полосы разной длины. Они представляют собой систему межклетников – пространств между клетками верхней и нижней сторон листа, заполненных воздухом. Под микроскопом межклетники выглядят темными из-за большой разницы в показателях преломления света воздуха и клеточных оболочек. Ознакомившись с общим планом строения листа, более детально рассмотрите особенности слагающих его клеток при большом увеличении. Клетки имеют тонкие прозрачные стенки, плотно соединенные между собой. Размеры, форма клеток, а также число содержащихся в них зеленых пластид (хлоропластов) варьируют. Клетки «средней жилки» узкие, сильно вытянутые по длине листа, пластид в них немного, большинство из них располагается вдоль боковых стенок. Очертания этих пластид овальные. Клетки, прилегающие к «средней жилке», более широкие, квадратные, многоугольные или продолговатые. В клетках много пластид, в плане они округлые, в боковой проекции – овальные или эллиптические. Ядро, цитоплазма и вакуоль в клетке не видны, так как показатели преломления света всех этих структур примерно одинаковы. Ядро становится заметным, если лист обработать 67 раствором йода в водном растворе йодида калия, однако следует помнить, что этот реактив убивает клетку. Рис. 3.10. Клетки листа элодеи 1 – ядро; 2 – хлоропласты; 3 – вакуоль; 4 – цитоплазма; 5 – зубчик листа; 6 – оболочка клетки; 7 – межклетник; 8; 9 – клетки «средней жилки» О наличии цитоплазмы и условных границах клеточной вакуоли можно судить лишь по перемещению пластид, происходящему вдоль клеточных стенок по часовой или против часовой стрелки, что характерно для кругового, или ротационного, движения. В таких клетках цитоплазма, окружающая крупную центральную вакуоль, занимает постенное положение. В клетках только что оторванного листа цитоплазма обычно не движется или движется очень медленно, но спустя несколько минут движение становится хорошо заметным сначала в клетках средней жилки, а затем и в прилегающих к ней клетках. Клетки, расположенные по краю листовой пластинки, вытянуты в длину, но значительно короче клеток средней жилки. Их наружные стенки толще внутренних. Клетки бедны содержимым, находящиеся в них немногочисленные пластиды значительно мельче, чем в остальных клетках. При внимательном рассмотрении в краевых клетках, в том числе и в зубцах, можно видеть ядра, представляющие собой светлые мелкозернистые тельца. Ядро, расположенное в середине клетки, обычно шаровидное, ядро, прижатое к стенке клетки, – полусферическое. 68 ! Зарисуйте несколько клеток листа элодеи, на рисунке обозначьте:оболочка клетки, хлоропласты, вакуоль, ядро, цитоплазма. 1.2. Клетки кожицы чешуи луковицы репчатого лука. Для ознакомления со строением клеток и особенностями плазмолиза можно использовать кожицу, покрывающую внутренние чешуи луковицы лука. Слегка надрезанная скальпелем или препаровальной иглой кожица обычно легко сдирается. Снимите ее пинцетом и отрежьте ножницами кусочек размером несколько квадратных миллиметров. Положите этот кусочек на предметное стекло, наберите пипеткой раствор йода, капните каплю йода на кожицу и накройте покровным стеклом. Рассмотрите препарат при малом и большом увеличениях микроскопа. Клетки кожицы разных размеров, многоугольные, с тонкими, плотно сомкнутыми стенками (рис. 3.11). В некоторых местах стенки пересечены узкими канальцами – порами, которые посередине перегорожены тонкой мембраной. В клетке хорошо видно ядро с ядрышком. Ядро окружено цитоплазмой, составляющей так называемый ядерный кармашек, соединенный тяжами с постенным слоем цитоплазмы. Тяжи цитоплазмы пересекают вакуоль в разных направлениях. В цитоплазме встречаются капли эфирных масел, а в вакуолях – мелкие кубические или призматические кристаллы щавелевокислого кальция. Кроме крупных клеток в кожице можно видеть также мелкие клетки, имеющие очертания семени фасоли. Они расположены парами и обращены одна к другой вогнутыми, сильно утолщенными стенками, между которыми находится межклетник. Пара таких клеток составляет устьице, клетки называют замыкающими клетками устьица, а межклетник – устьичной щелью. Замыкающие клетки содержат хлоропласты. Лучше всего наблюдать плазмолиз в клетках лиловых чешуи лука. Окраска чешуи обусловлена наличием в клеточном соке водорастворимого пигмента – антоциана. По мере выхода из вакуоли воды концентрация пигмента увеличивается и окраска клеточного сока становится интенсивнее. ! Зарисуйте несколько клеток кожицы чешуи лука, на рисунке обозначьте:ядро, ядрышко, цитоплазма, тяжи цитоплазмы, вакуоль, хлоропласты, устьице. 69 Рис. 3.11. Клетки эпидермиса внутренней чешуи луковицы лука 1 – ядро; 2 – ядрышко; 3 – цитоплазма; 4 – вакуоли; 5 – кристалл оксалата кальция; 6 – тяжи цитоплазмы; 7 – капли масла; 8 – поры; 9 – замыкающие клетки устьичного аппарата; 10 – устьичная щель; 11 – хлоропласты; 12 – оболочка клетки 1.3. Клетки эпителия кожи лягушки. Возьмите лягушку, которая находится в банке без воды в течение 2-3 часов. Кожа лягушки за это время слегка подсохла. Перенесите лягушку в банку с водой. Через несколько минут начинается слущивание эпителия; в воде появляются сероватые прозрачные пленки эпителия. Захватите эту пленку пинцетом и отрежьте от нее ножницами маленький кусочек (не больше 2-3 мм). Положите этот кусочек на предметное стекло в капельку воды, расправьте с помощью препаровальных игл и накройте покровным стеклом. Рассмотрите при малом и большом увеличениях микроскопа. Рис. 3.12. Клетки эпителия кожи лягушки: 1 – ядро; 2 - цитоплазма 70 Клетки кожи лягушки многоугольной формы. В каждой клетке имеется округлое пузырьковидное ядро. Вакуолей, которые имеются в растительной клетке, здесь нет. Цитоплазма равномерно заполняет всю клетку (рис. 3.12). ! Зарисуйте несколько клеток эпителия кожи лягушки, на рисунке обозначьте:ядро, цитоплазма. 2. Структурно-функциональная организация эукариотической клетки 2.1. Влияние изотонического, гипертонического и гипотонического растворов на эритроциты млекопитающего. Эритроциты млекопитающего сохраняют свою нормальную форму и объем, если они находятся в изотоническом растворе. Если поместить их в гипертонический раствор, то они сморщиваются и уменьшаются в объеме. В гипотоническом же растворе эритроциты набухают, увеличиваются в объеме и в итоге разрушаются. Происходит гемолиз. Влияние гипотонического раствора. Каплю дефибринированной крови поместите на предметное стекло, покройте покровным стеклом и рассмотрите под малым увеличением микроскопа. Затем осторожно приподняв препаровальной иглой край покровного стекла, подведите под него оттянутый край пипетки с дистиллированной водой. Воду из пипетки не выпускайте! С противоположного края препарата также под покровное стекло подведите полоску фильтровальной бумаги. Переведите объектив на большое увеличение, и осторожно впускайте дистиллированную воду. Под покровным стеклом образуется гипотонический раствор, эритроциты начнут разбухать, лопаться, и гемоглобин выйдет в окружающую среду. Если гемолиз произойдет полностью, то образуется прозрачная, красно окрашенная «лаковая» кровь. Влияние гипертонического раствора. Препарат крови приготовьте так же, но под покровное стекло введите из пипетки 5%- ный раствор хлорида натрия. Под покровным стеклом образуется гипертонический раствор, и эритроциты начнут сморщиваться. ! Зарисуйте несколько гемолизированных клеток крови: а) в изотоническом; б) в гипотоническом; в) в гипертоническом растворе. 71 2.2. Избирательная проницаемость плазматической мембраны для различных веществ. В 2%-ный раствор хлорида натрия или калия поместите каплю культуры инфузорий. Приготовьте временный микропрепарат. При малом увеличении микроскопа рассмотрите сморщенные клетки инфузорий, что указывает на проницаемость плазматической мембраны для воды (в данном случае вода выходит из клетки). Оттяните из-под покровного стекла раствор при помощи фильтровальной бумаги и замените его на дистиллированную воду. Наблюдайте, как клетки инфузорий приобретают свойственную им форму из-за поступления в них воды. Поместите инфузорий в раствор хлорида кальция или хлорида магния. Приготовьте временный микропрепарат. При малом увеличении микроскопа рассмотрите инфузорий, у которых не наблюдается каких-либо деформаций. Ионы кальция и магния понижают проницаемость плазматической мембраны, в отличие от ионов натрия и калия. ! Зарисуйте несколько инфузорий: а) в изотоническом; б) в гипертоническом растворе. 2.3. Физиологические свойства цитоплазмы и клеточного сока на примере листьев элодеи или валлиснерии. Ознакомьтесь с некоторыми физиологическими особенностями цитоплазмы и клеточного сока, которые можно продемонстрировать, поместив лист в концентрированный (гипертонический) раствор веществ, не оказывающих вредного действия на клетки растений. Для этой цели, обычно используют 6-8%-ный водный раствор калийной или натриевой селитры, сахарозы или других нейтральных веществ. Каплю одного из этих растворов нанесите на предметное стекло вплотную кпокровному стеклу, под которым в воде находится лист элодеи или кожица листа валлиснерии. С противоположной стороны, также вплотную к покровному стеклу, поместите полоску фильтровальной бумаги, которая должна оттягивать воду. Чтобы раствор быстрее вошел под покровное стекло, предметное стекло можно слегка наклонить. Рассмотрите лист под микроскопом. Сначала в краевых, а затем и в остальных клетках протопласт начинает сжиматься и отходить от клеточных стенок (рис. 3.13). Этот процесс отделения протопласта от 72 стенок клетки называют плазмолизом. В большой степени он объясняется явлениями осмоса и диффузии. Осмотическое давление клетки обусловлено концентрацией веществ клеточного сока. Если клетка находится в воде или в водном растворе каких-либо веществ, концентрация которых ниже концентрации веществ клеточного сока, то вода через цитоплазму будет проникать в вакуоль, увеличивая объем клеточного сока и его давление на цитоплазму и оболочку. Это давление называют тургорным, Если осмотическое и тургорное давление равны, клетка, находится в состоянии полного насыщения водой, вакуоль имеет максимальный объем. Рис. 3.13. |