Екосистемний рівень.

Елементарна одиниця цього рівня – екосистема (сукупність популяцій різних видів, які заселяють територію з визначеними абіотичними показниками і зв’язані між собою та навколишнім середовищем обміном речовин, енергії та інформації). Екосистеми об’єднані на планеті в єдиний комплекс - біосферу.

2.1.2 Ознайомитись з будовою світлового мікроскопа - оптичного приладу для вивчення клітинного рівня організації живої матерії.

Механічна частина мікроскопа складається зі штативу, тубуса, револьвера, предметного столика, макрометричного (або кремальєри) і мікрометричного гвинтів. Штатив утворений з масивної ніжки – основи, на яку опирається весь мікроскоп і тубусотримач. До тубусотримача прикріплено тубус. Пересуваючи тубус за допомогою гвинтів, досліджуваний предмет потрапляє у фокус об’єктива. За допомогою макрогвинта тубус пересувається на відносно велику відстань, мікрогвинт здійснює незначні переміщення. До штатива прикріплено предметний столик (округлий або прямокутний). У більшості сучасних мікроскопів частина штатива з предметним столиком і тубусом відгинається назад. У центрі столика є отвір, над яким кладуть предметне скельце з об’єктивом, воно фіксується двома затискачами (клемами). Знизу до тубуса рухомо прикріплено револьвер-пластинку з трьома-чотирма об’єктивами. Повертаючи револьвер, можна під нижній отвір тубуса поставити об’єктив певної кратності збільшення.

Рис. 1. Будова світлового мікроскопа: 1. тубус; 2. штатив; 3. макрогвинт; 4. мікрогвинт; 5. підставка; 6. предметний столик; 7. револьвер; 8. окуляр; 9. об’єктив; 10. дзеркальце; 11. конденсор

Освітлювальна частина мікроскопа складається з дзеркала, конденсора та ірис-діафрагми. Дзеркало закріплене рухомо під предметним столиком. З одного боку воно плоске, а з другого – вигнуте; плоскою і вигнутою поверхнею користуються залежно від інтенсивності джерела світла і характеру об’єкта. Конденсор, що знаходиться між предметним столиком і дзеркалом, складається з кількох лінз. Ірис-діафрагма закріплена на нижній поверхні конденсора. Промені від джерела світла відбиваються дзеркалом і спрямовуються в конденсор. Лінзи конденсора концентрують світлові промені й спрямовують їх через отвір предметного столика на досліджуваний предмет та в об’єктив. Ірис-діафрагма регулює ширину світлового пучка, збільшує або зменшує освітлення предмета.

Оптична частина мікроскопа складається із систем лінз окуляра й об’єктивів. Окуляр вставлений у тубус зверху, на оправі окуляра є цифри, які вказують його збільшення (наприклад, 7 ^х, 10 ^х, 15 ^х). Об’єктив містить систему лінз, вправлених в тубус-гільзу. Об’єктиви закріплені у револьвері. Вони можуть давати мале збільшення (цифри на оправі ^х7, ^х8, ^х10) і велике (цифри на оправі ^х40, ^х90). Щоб знати загальне збільшення мікроскопа, слід перемножити цифри збільшення окуляра й об’єктива. Якщо, наприклад, на окулярі цифра 7 ^х, а на об’єктиві ^х10, то мікроскоп дає збільшення у 70 разів. Крім об’єктивів малого і великого збільшення, в револьвері мікроскопа є ще так званий імерсійний (лат. immersio, від immergo- занурюю) об’єктив, який позначається буквами «ОІ» (об’єктив імерсійний) і призначений для розглядання предметів і об’єктів при великому збільшенні, коли вводять рідину (кедрову олію, вазелін, водний розчин гліцерину) між предметом і об’єктивом мікроскопа, щоб підвищити освітленість зображення.

2.1.3 Правила роботи із світловим мікроскопом.

1. Установити мікроскоп у робоче положення, тобто так, щоб колонка штатива була повернена в бік дослідника, а дзеркало – у напрямку джерела світла.

2. Центрувати мікроскоп. Для цього повернути револьвер доти, поки об’єктив малого збільшення не стане в центрі отвору предметного столика (до відчуття легкого поштовху).

3. Освітити поле зору. Для цього, дивлячись в окуляр лівим оком і не закриваючи праве, повертайте дзеркало до джерела світла доти, поки поле зору не освітиться рівномірно. Не слід допускати потрапляння на дзеркало мікроскопа прямих сонячних променів.

4. Покласти препарат на предметний столик так, щоб об’єкт опинився над отвором столика під об’єктивом. Вивчення будь-якого препарату починається з малого збільшення, після чого при необхідності продовжується при великому.

5. Дивлячись з боку, за допомогою кремальєри опустити тубус так, щоб об’єктив наблизився до препарату, але не торкався його. Забороняється опускати тубус, дивлячись при цьому в окуляр, це може призвести до псування препарату та об’єктива.

6. Дивлячись в окуляр, обертом кремальєри у зворотній бік (на себе), повільно підняти тубус, поки в полі зору не з’явиться чітке зображення об’єкта. Відстань від об’єкта до об’єктива при малому збільшенні становить близько 1 см.

7. Під час роботи ліву руку примати на мікрометричному гвинті, який злегка обертають не більше як на півоберта. Завдяки цьому досягається можливість розглядати як поверхневі, так і більш глибокі ділянки об’єкта. Препарат треба розглядати, повільно рухаючи його на предметному столику або повертаючи самий предметний столик.

8. При переході з малого на велике збільшення, ще при малому збільшенні покласти у центр зору ту частину об’єкта, яку треба вивчати.

9. Обертом револьвера поставте над препаратом об’єктив великого збільшення. Дивлячись з боку, повільно і обережно опустити тубус, щоб об’єктив (^х40) майже наблизився до препарату, але не торкнувся його. Після цього, дивлячись в окуляр, повільно підняти тубус до появи обрисів предмета. Для наведення чіткості використати тільки мікрогвинт. Відстань від об’єкта до об’єктива при великому збільшенні становить близько 1 мм.

10. Користуючись мікрометричним гвинтом, домогтися чіткого зображення об’єкта.

11. Працюючи з імерсійним об’єктивом, на предметне скло наносять краплю кедрової олії, в яку обережно занурюють об’єктив (^х90 тільки з позначкою “ІМ”), не торкаючись ним предметного скельця, і, дивлячись в окуляр, підняти тубус мікрогвинтом до появи зображення. Увага! При фокусуванні користуються тільки мікрометричним гвинтом. Кедрова олія створює однорідне середовище для заломлення світлових променів, що є важливим при розгляді препарата при великому збільшенні, тому що це додаткове оптичне середовище.

12. Не слід розгвинчувати окуляр і об’єктиви.

13. Якщо об’єкт не видно під великим збільшенням, то це означає, що препарат не був точно поставлений у центрі поля зору при малому збільшенні. У цьому випадку перевести револьвер знову у мале збільшення і повторити роботу спочатку.

14. Переміщуючи мікроскоп, треба брати його за ручку штатива, не крутити без потреби частини мікроскопа.

15. Перед дослідженням предметів і після нього оптичну систему мікроскопа протирають марлею або м’якою серветкою.

16. При завершенні роботи мікроскоп переводять на мале збільшення і знімають мікропрепарат з предметного столика.

2.1.4 Техніка виготовлення тимчасових препаратів:

1) на предметне скло покласти об’єкт для дослідження;

2) очною піпеткою нанести краплю води;

3) накрити об’єкт накривним скельцем і розглянути під мікроскопом.

Рис 2 Техніка виготовлення тимчасового препарату

2.1.5 Вивчити будову прокаріотичної клітини.

Прокаріоти (бактерії і ціанобактерії) – організми, у клітинах яких відсутнє сформоване ядро. Це здебільшого одноклітинні, рідше колоніальні форми, їм властиві невеликі розміри – 0, 5 – 3, 0 мкм в діаметрі чи по довжині клітини. Генетичний матеріал локалізується в нуклеоїді і представлений ДНК (5∙ 10⁶ пар нуклеотидів) однієї кільцевої хромосоми, у якій відсутні основні білки – гістони. Відмінності прокаріотичної та евкаріотичної клітин за наявністю гістонів є доказом різних механізмів регуляції експресії генів у цих клітинах. Ззовні клітини прокаріот вкриті клітинною стінкою (утворена полісахаридом муреїном), під якою розміщена плазматична мембрана. Клітинна стінка перешкоджає осмотичному набряканню, проникна для води, малих молекул, має антигенні властивості. За будовою клітинної стінки бактерії поділяють на дві групи: грампозитивні та грамнегативні. У грампозитивних бактерій клітинні стінки фарбуються позитивно за методом Грама (зв’язують метиленовий синій та інші основні барвники, а після обробки йодом, потім спиртом чи ацетоном зберігають забарвлення). Клітинні стінки грамнегативних бактерій за цим методом не фарбуються, їх структура значно складніша завдяки наявності шару полісахаридів і додаткової зовнішньої мембрани. На ці бактерії не діють антибіотики, до прикладу пеніцилін чи актиноміцин. Клітинна стінка бактерій часто вкрита захисною слизовою капсулою, яка легко руйнується під дією певних сполук. У деяких бактерій наявні органоїди руху – джгутики (один або кілька), утворені актиноподібним білком флагеліном. Вп’ячування цитоплазматичної мембрани утворюють мезосоми – мембранні структури везикулярної і трубчастої будови, які беруть участь в утворенні клітинних перегородок, реплікації ДНК, диханні та ін. У зелених і пурпурових сіркобактерій наявні фотосинтезуючі мембрани, на яких містяться фотосинтетичні пігменти, зокрема бактеріохлорофіл. Цитоплазма містить білки, нуклеїнові кислоти, інші молекули та неорганічні іони.

Рис. 3 Прокаріотична клітина

а) форма клітини: 1. палички (бацили); 2. спірили; 3. коки; 4. вібріони;

б) будова бактеріальної клітини: 5. мезосома; 6. нуклеоїд; 7. спора; 8. слизиста капсула; 9. цитоплазматична мембрана; 10. джгутик; 11. включення; 12. частинки РНК

Розмножуються прокаріоти шляхом бінарного поділу. У примітивній формі для бактерій характерне статеве розмноження з утворенням рекомбінантної ДНК-ДНК, яка містить гени обох батьківських клітин. Тому нащадки – рекомбінанти мають більше відмінних ознак, що є важливим еволюційним фактором.

Прокаріоти - невід’ємний компонент екологічних систем, беруть участь у колообігу речовин в природі, а також мають важливе медичне значення як збудники інфекційних хвороб людини і тварин.

2.1.6 Вивчення будови рослинної клітини.

Рис.4 Будова рослинної клітини: 1. комплекс Гольджі; 2.вільні рибосоми; 3. хлоропласт; 4. міжклітинник; 5.полісома; 6. мітохондрія; 7. лізосома; 8. гранулярна ендоплазматична сітка; 9. агранулярна ендоплазматична сітка; 10. цитоскелет, 11. лецкопласт, 12. плазмодесми; 13. клітинна стінка; 14. хроматин; 15. зовнішня ядерна мембрана; 16. ядерна пора; 17. каріоплазма; 18. перинуклеарний простір; 19. цитоплазматичний матрикс; 20. вакуоля

Для рослинної клітини характерні наступні ознаки:

· клітинна стінка – це сукупність елементів, що вкривають цитоплазматичну мембрану клітини у вигляді оболонки, яка складається з нерозчинних у воді волоконець целюлози, може містити пектин і лігнін;

· пластиди – цитоплазматичні двомембранні органели, які здатні до взаємоперетворення, утворюються з про пластид:

- хлоропласти мають подвійну мембрану, всередині якої міститься строма; зелений пігмент хлорофіл локалізується на тилакоїдах, які утворюють грани, сполучені ламелами; здійснюють функцію фотосинтезу;

- хромопласти містять пігменти каротиноїди і ксантофіл, надають забарвлення в гамі кольорів від жовтого до коричневого;

- лейкопласти – дрібні безбарвні, містять зерна крохмалю;

· Вакуоля – одно мембранна органела, заповнена клітинним соком, утворюється у процесі росту клітини; створює внутрішній напружений стан клітини (тургор), запасає поживні речовини; клітинний сік вакуолей є складним розчином різних водорозчинних сполук;

· плазмодесми – цитоплазматичні тяжі, які з’єднують протопласти прилеглих клітин; виконують функції передачі подразнень, дифузії йонів і переміщення поживних речовин між клітинами;

· відсутній клітинний центр у більшості клітин вищих рослин;

· клітинні включення представлені кристалами солей, гранулами крохмалю тощо;

· під час поділу клітини клітинна стінка першопочатково утворюється з елементів апарату гольджі, згодом обростає волокнами целюлози.

а) приготувати тимчасовий препарат мезофілу листка традесканції. Знайти і розглянути хлоропласти, зарисувати кілька клітин, позначити клітинну оболонку, ядро, хлоропласти;

б) приготувати тимчасовий препарат клітин м’якоті шипшини, знайти і розглянути хромопласти. Зарисувати кілька клітин, позначити клітинну оболонку і хромопласти;

в) приготувати тимчасовий препарат клітин бульби картоплі і розглянути включення зерен крохмалю. З допомогою леза роблять тонкий зріз бульби, поміщають його на предметне скло і зафарбовують розчином Люголя. Зарисувати і позначити клітинну оболонку, включення (зерна крохмалю);

2.1.7 Розглянути і вивчити електронограму евкаріотичної клітини. Диференціювати цитоплазматичну мембрану, ядро, органели.

Вивчення будови тваринної клітини.

- клітинна оболонка (плазмалема), в основі будови якої - цитоплазматична мембрана - вибірково проникний бар’єр, що регулює обмін між клітиною і середовищем; ліпопротеїнова структура; вкрита ззовні шаром глікокалікса завдовшки10-20 нм.. Основними складовими глікокалікса служать комплекси полісахаридів з білками (глікопротеїни) і жирами (гліколіпіди).

- протоплазма, в якій розрізняють цитоплазму та ядро з каріоплазмою. У цитоплазмі розрізняють гіалоплазму (цитоплазматичний матрикс), органели і включення.

Цитоплазматичний матрикс утворений переважно білками, забезпечує колоїдні властивості цитоплазми, її в’язкість, еластичність, скоротливість, внутрішній рух. Функціонально є внутрішнім середовищем клітини, місцем здійснення внутрішньоклітинного метаболізму.

Ендоплазматична сітка - утворена системою ущільнених мембранних мішечків (цистерн) у вигляді трубочок і пластинок. Зерниста (гранулярна) ендоплазматична сітка утворює комплекс із рибосомами і виконує функції синтезу білків, а також в ділянках гранулярної ендоплазматичної сітки відбувається синтез білків і ліпідів цитоплазматичних мембран і їх збирання. Гладенька (агранулярна) ендоплазматична сітка функціонально пов’язана з обміном вуглеводів, жирів та інших речовин небілкової природи, наприклад, стероїдних гормонів (у статевих залозах, кірковому шарі надниркових залоз). В гепатоцитах на гладенькій ендоплазматичній сітці руйнуються і знешкоджуються токсичні речовини. В пухирцях і канальцях гладенької ендоплазматичної сітки поперечно-смугастих м’язів депонуються іони кальцію і вона приймає участь в підтриманні гомеостазу кальцію.

Рис.5. Будова тваринної клітини: 1. цитоплазматична мембрана; 2. цитоплазма; 3. комплекс Гольджі; 4. клітинний центр; 5. мітохондрії; 6. лізосома; 7. ядерна оболонка; 8. каріоплазма; 9. ядерця; 10. ендоплазматична сітка

Мітохондрії - органели двомембранної будови, внутрішня мембрана утворює кристи, простір, обмежений кристами, складає мітохондоиальний матрикс. Під час аеробного дихання на кристах відбувається окисне фосфорилювання і перенесення електронів, а у матриксі працюють ферменти циклу Кребса. Основна функція мітохондрій - синтез АТФ. В матриксі є також кільцева молекула ДНК і власні білок-синтезуючі системи, що за основними властивостями подібні до апарату синтезу білка прокаріотів, і в цьому підтверджується симбіотична гіпотеза походження мітохондрій. Серед інших функцій мітохондрій можна назвати участь в синтезі стероїдних гормонів і деяких амінокислот (глутамінової).

Пластинчастий комплекс Гольджі утворений сукупністю диктіосом. Диктіосоми – система 3-12 плоских мембранних дископодібних цистерн, від країв яких відшнуровуються пухирці (везикули). Розташований переважно в навколоядерній зоні в диференціованних клітинах хребетних, бере участь в концентрації, зневодненні і ущільненні продуктів внутрішньоклітинної секреції та речовин, що надходять ззовні і призначені для виведення з клітини. З ним пов’язаний також синтез полісахаридів, ліпідів, формування лізосом.

Лізосоми - органели одномембранної будови, що містять набір ферментів кислих фосфатаз, які каталізують при низьких значеннях рН гідролітичне розщеплення нуклеїнових кислот, білків, жирів, полісахаридів (первинні лізосоми); в процесі ендоцитозу первинні лізосоми з’єднуються з фагоцитуючими вакуолями (прелізосоми) і утворюють вторинні лізосоми. Вони поділяються на гетерофагосоми (перетравлюють субстрат, що надійшов до клітини ззовні) і аутофагосоми (руйнують власні структури клітини, які завершили свою функцію). Продукти розпаду поглинаються і засвоюються цитоплазмою, а неперетравлені рештки залишаються в постлізосомі.

Клітинний центр (центросома) - утворений двома центріолями, що оточені ущільненою цитоплазмою - центросферою. Кожна центріоля утворена 9 триплетами мікротрубочок (побудовані із полімеризованого білка тубуліну). Функція - утворення ахроматинового веретена під час поділу клітини.

Рибосоми - дрібні органели немембранної будови (рибонуклеопротеїн), утворені малою і великою субчастками, об’єднання яких відбувається в присутності мРНК. Це є рибонуклеопротеїнові структури, що виконують функцію активного синтезу білка. Здебільшого одна молекула мРНК об’єднує кілька рибосом і утворює полісому. Полісоми вільно розташовані в цитоплазмі або прикріплені до мембран гранулярної ендоплазматичної сітки. Доведено, що на полісомах цитоплазматичного матриксу утворюються білки для власних потреб клітини, а на полісомах гранулярної ендоплазматичної сітки синтезуються білки, які виводяться з клітини і використовуються для потреб організму (наприклад, травні ферменти, білки грудного молока).

Мікротільця - група одномембранних органел з дрібнозернистим матриксом. До цієї групи належать пероксисоми, що містять оксидази, які каталізують утворення пероксиду водню. В подальшому пероксид водню розкладається під дією фермента пероксидази. Ці реакції включені до різних метаболічних циклів, зокрема в обмін сечової кислоти в клітинах печінки і нирок. В гепатоциті кількість пероксисом досягає 70 - 100.

Включення - відносно непостійні компоненти цитоплазми, що виконують функцію запасання поживних речовин (жир, глікоген), продуктів, що підлягають виведенню з клітини (гранули секрету), баластних речовин (деякі пігменти).

а) розглянути як приклад тваринної клітини препарат „Кров жаби”, звернути увагу на овальну форму еритроцитів та наявність ядра і препарат „Епітелій слизової оболонки ротової порожнини людини”, диференціювати клітинну оболонку, ядро, цитоплазму;

б) позначити структурні компоненти та органели на схемі електронограми рослинної і тваринної клітин.

2.1.8 Способи надходження речовин до клітини

Існують різні механізми надходження йонів та молекул у клітину чи виходу з неї через плазматичну мембрану. Один механізм – це пасивний транспорт, що не потребує затрат енергії; інший – активний транспорт, пов’язаний з витратою енергії макроергічних сполук. До пасивного транспорту належать дифузія, полегшена дифузія та осмос. В основі дифузії лежить процес хаотичного руху молекул, при якому вони переміщаються від більшої концентрації до меншої, тобто за концентраційним чи електрохімічним (різниця електричних зарядів поверхневої мембрани клітини і частинки, яка транспортується) градієнтом. Дифузія відбувається через найдрібніші пори або здійснюється через ліпідний шар плазматичної мембрани за умови жиророзчинності органічних речовин, які надходять у клітину. Полегшена дифузія – це рух через плазматичну мембрану речовин за допомогою молекул переносників. Її прикладом може слугувати транспорт глюкози та амінокислот.

Осмосом називають однобічну дифузію молекул розчинника з менш концентрованого розчину до більш концентрованого. До прикладу, відповідно до закону осмосу, клітини кореня рослин поглинають з грунту воду, у якій концентрація солей менша, ніж у цих клітинах. Тиск, який виникає внаслідок осмосу, отримав назву осмотичного тиску. При цьому виникає стан напруження клітинної оболонки, тобто тургор. Це явище характерне для рослинних клітин, які мають клітинну стінку, що може розтягуватись до певної межі і не властивий клітинам тваринних ораганізмів. Баланс осмотичних сил між зовнішнім розчином і вмістом клітини є важливим фактором при переміщенні води, яка у кількісному співвідношенні переважає у цитоплазмі. У розчинах, осмотичний тиск яких вищий, ніж у клітині (гіпертонічний розчин), клітина втрачає воду, відбувається відшарування пристінкового шару цитоплазми. Це явище має назву плазмолізом. У розчинах з низьким осмотичним тиском (гіпотонічний розчин) вода надходить у клітину, тобто відбувається деплазмоліз.

а) вивчити явище плазмолізу і деплазмолізу на прикладі клітин шкірки цибулини.

Приготувати тимчасовий препарат шкірки цибулини: тонку шкірку з ввігнутої частини луски цибулі покласти на предметне скло, нанести піпеткою краплю води і накрити накривним склом. Розглянути препарат під мікроскопом (280 х), вивчити клітини у стані повного тургору. Зарисувати кілька клітин, позначити клітинну оболонку, цитоплазму, ядро.

На один край накривного скла препарату помістити краплю 10% розчину NaCl, а на протилежний - смужку фільтрувального паперу (для протягнення гіпертонічного розчину солі через препарат). Розглянути препарат через 10-15 хв. повторно (280 х) і зарисувати. Звернути увагу на те, що в клітинах шкірки цибулини відбувається відшарування цитоплазми від клітинної стінки - явище плазмолізу. Це можна пояснити тим, що клітини, опинившись у розчині, концентрація якого вища, ніж у цитоплазмі, віддали частину води, щоб вирівняти осмотичний тиск через клітинну оболонку.

Для вивчення деплазмолізу смужкою фільтрувального паперу відсмоктати розчин з-під накривного скла препарату, після цього з іншого краю помістити краплю води. Вода поступово замінить гіпертонічний розчин солі і клітина перейде в стан нормального тургору - явище деплазмолізу.

2.2. Оформлення результатів практичної роботи

Рисунки виконують простим олівцем. Зображають 3-4 клітини одного препарату, розмір близько 5-10 мм. При виконанні рисунків необхідно правильно передати співвідношення розмірів частин об’єкта, його форму і розмір. Позначення на рисунках виконують у вигляді підписів, розміщених горизонтально відповідно цифрових позначень. Під рисунком вказують кратність збільшення використаних окулярів та об’єктивів, а також вказують чи препарат був зафарбований.

Виготовлені і вивчені препарати мезофілу листка традесканції, клітин м’якоті шипшини, цибулі та бульб картоплі, еритроцити крові жаби та клітини слизової оболонки порожнини рота людини, позначають клітинну оболонку, ядро, цитоплазму студенти зарисовують в альбом.

3. Вироблення практичних навичок

Знати елементарні явища, що визначають кожен рівень організації живої матерії; вміти користуватись світловим мікроскопом, готувати та описувати тимчасові препарати, розпізнавати органели рослинної клітини, аналізувати електронограми клітин та окремих органел.

4. Питання для контролю засвоєння теми

1. Правила роботи з світловим мікроскопом.

2. Техніка приготування тимчасових препаратів.

3. Пасивний транспорт речовин через плазматичну мембрану.

4. Механізми активного транспорту.

5. Будова тваринної клітини.

6. Явище тургору, осмосу.

7. Будова рослинної клітини.

8. Пластиди: види, будова та функції.

9. Цитоплазматична мембрана, структура та функції.

10. Органели двомембранної будови, функції.

11. Органели одномембранної будови, характеристика.

12. Органели немембранної будови, функціональне призначення.

13. Відмінності у будові прокаріотичної та евкаріотичної клітини.

14. Тестовий контроль до практичного заняття №1

1. Явище плазмолізу - це:

A. Втрата природної конфігурації білка

B. Повне розчинення клітинної оболонки

C. Напружений стан клітинної оболонки

D. Хромосомні перебудови

E. Відшарування пристінкового шару цитоплазми